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 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 của chúng với ánh sáng. Tuy nhiên, rất khó để tìm ra một 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 Paris và Viện Công nghệ Karlsruhe đã cùng nhau chứng minh tiềm năng của tinh thể phân tử dựa trên ion europium đất hiếm (Eu³+) cho các ứng dụng trong hệ thống quang học lượng tử. Họ phát hiện ra rằng sự phát xạ vạch phổ 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 chập, do đó thông tin lượng tử cũng có thể được chồng chập. 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 chập của qubit phải có khả năng duy trì ổn định trong một khoảng thời gian. Trong cơ học lượng tử, khoảng thời gian 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 chập với thời gian sống khô dài vì ảnh hưởng của môi trường lên các spin hạt nhân được che chắn 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. 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 nghiên cứu này kết hợp hoàn hảo những 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, một giao diện spin quang học/hạt nhân hiệu quả có thể được tạo ra. Trên cơ sở này, các nhà nghiên cứu đã hiện thực hóa 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 nói trên có thể đạt được sự vướng víu lượng tử thông qua sự kết hợp trường điện phân tán, do đó cho phép xử lý thông tin lượng tử. Do các tinh thể phân tử chứa nhiều ion đất hiếm, mật độ qubit tương đối cao có thể đạt được.
Một yêu cầu khác đối với điện toán lượng tử là khả năng định địa chỉ của từng qubit. Kỹ thuật định địa chỉ quang học trong nghiên cứu 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 nghiên cứu 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 học cũng phù hợp cho việc phân phối thông tin lượng tử đường dài, kết nối máy tính lượng tử cho truyền thông lượng tử từ xa. Việc tích hợp các tinh thể phân tử Eu³+ mới vào cấu trúc quang tử để tăng cường tín hiệu phát sáng có thể được xem xét thêm. Nghiên cứu này sử dụng các phân tử đất hiếm làm nền tảng cho Internet lượng tử, và là một bước tiến quan trọng hướng tới kiến trúc truyền thông lượng tử trong tương lai.
Thời gian đăng: 02-01-2024