Công nghệ thông tin lượng tử là công nghệ thông tin mới dựa trên cơ học lượng tử, mã hóa, tính toán và truyền tải thông tin vật lý chứa tronghệ thống lượng tử. Sự phát triển và ứng dụng công nghệ thông tin lượng tử sẽ đưa chúng ta vào “thời đại lượng tử”, hiện thực hóa hiệu quả công việc cao hơn, phương thức truyền thông an toàn hơn và lối sống xanh, tiện lợi hơn.
Hiệu quả giao tiếp giữa các hệ thống lượng tử phụ thuộc vào khả năng tương tác với ánh sáng của chúng. Tuy nhiên, rất khó để tìm ra vật liệu có thể tận dụng tối đa các đặc tính 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 một tinh thể phân tử dựa trên các ion europium đất hiếm (Eu³ +) cho các ứng dụng trong các hệ thống quang học lượng tử. Họ phát hiện ra rằng sự phát xạ có độ rộng vạch 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 máy tính 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 chồng lên nhau, do đó thông tin lượng tử có thể được chồng lên nhau. Một qubit đơn lẻ có thể đồng thời biểu diễn nhiều trạng thái khác nhau giữa 0 và 1, cho phép dữ liệu được xử lý song song theo từng đợt. Do 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 phép tính toán, sự chồng chất của qubit phải có khả năng duy trì ổn định trong một khoảng thời gian. Trong cơ học lượng tử, giai đoạn 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 các trạng thái chồng chất với thời gian sống khô dài vì ảnh hưởng của môi trường lên các spin hạt nhân được che chắn hiệu quả.
Các ion đất hiếm và tinh thể phân tử là hai hệ thống đã được sử dụng trong công nghệ lượng tử. Các ion đất hiếm có đặc tính quang học và spin tuyệt vời, nhưng chúng khó tích hợp vàothiết bị quang học. Tinh thể phân tử dễ tích hợp hơn, nhưng khó thiết lập mối liên hệ đáng tin cậy giữa spin và ánh sáng vì các dải phát xạ quá rộng.
Các tinh thể phân tử đất hiếm được phát triển trong công trình này kết hợp khéo léo các ưu điểm của cả hai ở chỗ, dưới sự kích thích của 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 một giao diện spin quang học/hạt nhân hiệu quả. Trên cơ sở này, các nhà nghiên cứu đã thực hiện thêm việc định địa chỉ mức spin hạt nhân, lưu trữ photon mạch lạc và thực hiện phép toán lượng tử đầu tiên.
Để tính toán lượng tử hiệu quả, thường cần 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 nối trường điện lạc, do đó cho phép xử lý thông tin lượng tử. 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 máy tính lượng tử là khả năng định địa chỉ của từng qubit. Kỹ thuật định địa chỉ quang học trong công trình này có thể cải thiện tốc độ đọc và ngăn chặn sự can thiệp của tín hiệu mạch. So với các nghiên cứu trước đây, tính nhất quán quang học của tinh thể phân tử Eu³ + được báo cáo trong công trình này được cải thiện khoảng một nghìn lần, do đó các trạng thái spin hạt nhân có thể được thao tác quang học theo một cách cụ thể.
Tín hiệu quang cũng phù hợp để phân phối thông tin lượng tử đường dài để kết nối máy tính lượng tử cho truyền thông lượng tử từ xa. Có thể cân nhắc thêm về việc tích hợp các tinh thể phân tử Eu³ + mới vào cấu trúc photonic để tăng cường tín hiệu phát sáng. Công trình này sử dụng các phân tử đất hiếm làm cơ sở 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: 02-01-2024