Giới khoa học vừa đo đạc được trạng thái vướng lượng tử W, một bước tiến đáng kể cho vấn đề truyền phát thông tin lượng tử và điện toán lượng tử.
Phương pháp đo đạc vướng lượng tử mới được phát triển hơn 25 năm sau các phương pháp đo đạc đầu tiên, đưa dịch chuyển lượng tử tức thời gần thực tế hơn - Ảnh: Phòng thí nghiệm Takeuchi / Đại học Kyoto
Vấn đề vướng lượng tử cho thấy rõ lằn ranh giữa vật lý cổ điển và vật lý lượng tử. Theo đó, trạng thái từng photon không thể được mô tả riêng biệt, thách thức quan điểm truyền thống rằng trạng thái thực tế của bất kỳ phân tử nào cũng có thể mô tả được; đây chính là chuyện làm Einstein đau đầu. Nắm bắt được cốt lõi vướng lượng tử là tiền đề cho phát triển nhiều công nghệ thế hệ mới.
Trước khi xây dựng được công nghệ như thế, các nhà khoa học phải biết cách thiết lập trạng thái nhiều photon vướng với nhau đồng thời xác định chính xác trạng thái vướng mắc vừa tạo được. Cắt lớp lượng tử, phương pháp chuẩn giúp phân tích các trạng thái vướng, có điểm yếu trí mạng: khi số photon tăng thì các phép đo đạc cần thực hiện cũng tăng theo cấp luỹ thừa, đặt ra thách thức lớn cho việc thu thập dữ liệu.
Truy tìm trạng thái W
Có trường hợp chỉ cần một lần đo đạc vướng lượng tử, ta đã có thể xác định chính xác trạng thái vướng, như trạng thái vướng lượng tử Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) chẳng hạn. Ngược lại, chưa một ai chứng minh được bằng thực nghiệm trạng thái W - một trạng thái vướng lượng tử đa photon cơ bản khác - hay thậm chí đề xuất sự tồn tại của nó trên lý thuyết cho đến hiện tại.
Một dự án nghiên cứu hợp tác giữa Đại học Kyoto và Đại học Hiroshima tại Nhật mới đây đã phát triển thành công phương pháp đo đạc có khả năng xác định trạng thái W. Takeuchi Shigeki, tác giả liên lạc của dự án, mừng rỡ: “Vậy là hơn 25 năm sau đề xuất đầu tiên về phương pháp đo đạc các trạng thái GHZ, chúng ta đã có cách đo đạc trạng thái vướng lượng tử W, thể hiện qua thực nghiệm đo trạng thái W với 3 photon vướng nhau.”
Dựa vào tính đối xứng dịch chuyển tuần hoàn của trạng thái W, nhóm nghiên cứu đã đề ra trên lý thuyết cách đo sử dụng mạch lượng tử photon có khả năng thực hiện chuyển đổi Fourier cho trạng thái W với số lượng photon tham gia bất kỳ.
Để kiểm nghiệm lý thuyết trên, họ lắp thiết bị chứa mạch quang lượng tử dùng để đo trạng thái 3 photon và có độ ổn định cao, vận hành được trong thời gian dài mà không cần con người điều khiển. Nhận 3 photon tách biệt ở trạng thái phân cực xác định, thiết bị phân lập thành công các trạng thái vướng lượng tử W khác nhau của 3 photon trên; mỗi trạng thái như vậy ứng với một mối liên hệ phi vật lý truyền thống giữa các photon đưa vào máy. Nhóm cũng kiểm định tính tái lập được của phương pháp đo đạc vướng lượng tử, tức nhận kết quả xác định, chính xác cho từng trạng thái W thuần ở đầu vào.
Ứng dụng công nghệ lượng tử vào thực tế
Thành tựu trên mở ra khả năng dịch chuyển lượng tử tức thời, hay việc truyền phát thông tin lượng tử. Vài ứng dụng khác có thể kể đến là giao thức truyền thông lượng tử, chuyển dời các trạng thái vướng lượng tử đa photon, và những phương pháp điện toán lượng tử mới dựa trên hướng tiếp cận đo đạc lượng tử.
Takeuchi nhấn mạnh: “Để đẩy nhanh nghiên cứu, phát triển công nghệ lượng tử, ta cần hiểu sâu hơn các khái niệm cơ bản rồi từ đó nảy ra những ý tưởng đột phá.” Nhóm của ông hiện đang tập trung mở rộng quy mô, đo đạc được những trạng thái vướng lượng tử đa photon khác, đồng thời phát triển mạch lượng tử photon tích hợp chip có khả năng đo đạc vướng lượng tử.
Huỳnh Trọng Nhân
(Lược dịch)