Công nghệ thông tin lượng tử là một công nghệ thông tin mới dựa trên cơ học lượng tử, mã hóa, tính toán và truyền thông tin vật lý chứa tronghệ lượng tử. Sự phát triển và ứng dụng công nghệ thông tin lượng tử sẽ đưa chúng ta bước vào “thời đại lượng tử”, hiện thực hóa hiệu quả công việc cao hơn, phương thức liên lạc an toàn hơn và lối sống xanh, tiện lợi hơn.
Hiệu quả giao tiếp giữa các hệ lượng tử phụ thuộc vào khả năng tương tác với ánh sáng của chúng. Tuy nhiên, rất khó để tìm ra một loại vật liệu có thể tận dụng tối đa các tính chất lượng tử của quang học.
Gần đây, một nhóm nghiên cứu tại Viện Hóa học ở Paris và Viện Công nghệ Karlsruhe đã cùng nhau chứng minh tiềm năng của tinh thể phân tử dựa trên các ion europium đất hiếm (Eu³ +) cho các ứng dụng trong hệ thống quang học lượng tử. Họ phát hiện ra rằng sự phát xạ băng thông cực hẹp của tinh thể phân tử Eu³ + này cho phép tương tác hiệu quả với ánh sáng và có giá trị quan trọng trongtruyền thông lượng tửvà tính toán lượng tử.
Hình 1: Truyền thông lượng tử dựa trên tinh thể phân tử europium đất hiếm
Các trạng thái lượng tử có thể được xếp chồng lên nhau, do đó thông tin lượng tử có thể được xếp chồng lên nhau. Một qubit đơn có thể biểu diễn đồng thời nhiều trạng thái khác nhau từ 0 đến 1, cho phép dữ liệu được xử lý song song theo đợt. Nhờ đó, sức mạnh tính toán của máy tính lượng tử sẽ tăng theo cấp số nhân so với máy tính kỹ thuật số truyền thống. Tuy nhiên, để thực hiện các hoạt động tính toán, sự chồng chất của qubit phải có khả năng tồn tại ổn định trong một khoảng thời gian. Trong cơ học lượng tử, thời kỳ ổn định này được gọi là thời gian sống kết hợp. Các spin hạt nhân của các phân tử phức tạp có thể đạt được trạng thái chồng chất với thời gian sống khô dài vì ảnh hưởng của môi trường lên các spin hạt nhân được che chắn một cách hiệu quả.
Ion đất hiếm và tinh thể phân tử là hai hệ thống đã được sử dụng trong công nghệ lượng tử. Ion đất hiếm có đặc tính quang học và spin tuyệt vời nhưng chúng khó tích hợp vàothiết bị quang học. Các tinh thể phân tử dễ tích hợp hơn nhưng khó thiết lập mối liên hệ đáng tin cậy giữa spin và ánh sáng vì dải phát xạ quá rộng.
Các tinh thể phân tử đất hiếm được phát triển trong công trình này kết hợp khéo léo ưu điểm của cả hai ở chỗ, dưới sự kích thích bằng laser, Eu³ + có thể phát ra các photon mang thông tin về spin hạt nhân. Thông qua các thí nghiệm laser cụ thể, có thể tạo ra giao diện spin hạt nhân/quang học hiệu quả. Trên cơ sở này, các nhà nghiên cứu đã nhận ra sâu hơn việc đánh địa chỉ mức spin hạt nhân, lưu trữ mạch lạc các photon và thực hiện phép toán lượng tử đầu tiên.
Để tính toán lượng tử hiệu quả, thường cần có nhiều qubit vướng víu. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng Eu³ + trong các tinh thể phân tử trên có thể đạt được sự vướng víu lượng tử thông qua sự ghép điện trường lạc, do đó cho phép xử lý thông tin lượng tử. Bởi vì các tinh thể phân tử chứa nhiều ion đất hiếm nên có thể đạt được mật độ qubit tương đối cao.
Một yêu cầu khác đối với điện toán lượng tử là khả năng đánh địa chỉ của từng qubit. Kỹ thuật đánh địa chỉ quang học trong công việc này có thể cải thiện tốc độ đọc và ngăn ngừa nhiễu tín hiệu mạch. So với các nghiên cứu trước đây, độ kết hợp quang học của tinh thể phân tử Eu³ + được báo cáo trong công trình này được cải thiện khoảng một nghìn lần, do đó trạng thái spin hạt nhân có thể được điều khiển quang học theo một cách cụ thể.
Tín hiệu quang học cũng thích hợp cho việc phân phối thông tin lượng tử ở khoảng cách xa để kết nối các máy tính lượng tử nhằm liên lạc lượng tử từ xa. Có thể xem xét thêm về việc tích hợp các tinh thể phân tử Eu³ + mới vào cấu trúc quang tử để tăng cường tín hiệu phát sáng. Công trình này sử dụng các phân tử đất hiếm làm nền tảng cho Internet lượng tử và thực hiện một bước quan trọng hướng tới các kiến trúc truyền thông lượng tử trong tương lai.
Thời gian đăng: Jan-02-2024