[Technology] Đại học Harvard chế tạo thành công thiết bị ngắt mạch lượng tử, bật/tắt chỉ bằng 1 photon duy nhất

041714_Lukin_309_605_MAIN.
Tiến sĩ Lukin (bên trái) cùng các cộng sự tại Đại học Harvard


Mới đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Harvard do tiến sĩ Mikhail Lukin đứng đầu đã chế tạo thành công một thiết bị ngắt mạch lượng tử có khả năng bật và tắt bằng cách sử dụng 1 photon duy nhất. Các nhà khoa học xem đây là 1 thành tựu công nghệ đột phá có thể mở đường cho việc tạo nên các mạng máy tính lượng tử với độ bảo mật vô cùng cao trong tương lai. Các thông tin chi tiết về nghiên cứu của tiến sĩ Lukin và các cộng sự đã được công bố trên tạp chí Nature số tháng 4 vừa qua.

Theo các nhà khoa học, điện toán lượng tử sẽ tạo ra cuộc cách mạng trong nền công nghiệp máy tính với chỉ 1 nguyên tử duy nhất nhưng có khả năng tăng cường tốc độ xử lý, sức mạnh và tính bảo mật theo cấp số nhân so với các thế hệ máy tính hiện tại. Mặc dù tính đến thời điểm này, máy tính lượng tử vẫn chưa thật sự cần thiết đối với đại đa số người dùng nhưng đối với các nhà khoa học hoặc các chuyên gia, thì đây là công cụ cần thiết phục vụ cho công tác nghiên cứu đòi hỏi phải xử lý, phân tích những khối dữ liệu vô cùng lớn.

Tiến sĩ Lukin cho biết: “Về mặt khái niệm, ý tưởng của nghiên cứu là hết sức đơn giản: Đẩy các quy ước về việc đóng/mở công tắc bình thường lên tới giới hạn cuối cùng của nó. Có thể hiểu nôm na về những gì chúng tôi làm được ở đây chính là dùng 1 nguyên tử như 1 công tắc. Tùy thuộc vào trạng thái của nó mà bạn có thể đóng hoặc mở dòng dịch chuyển của các photon theo ý muốn. Khi nhiều công tắc được kết hợp lại với nhau sẽ vận hành như một máy tính lượng tử thật sự.”

Theo tiến sĩ Lukin, tiếp theo nhóm sẽ tiếp tục nghiên cứu để áp dụng công nghệ trên vào các sợi cáp quang nhằm như một công cụ mã hóa với độ bảo mật vô cùng cao. Việc sử dụng các bộ ngắt mạch lượng tử sẽ cho phép truyền thông tin đi trong phạm vi từ hàng chục đến hàng nghìn kilomet một cách an toàn.

Để thực hiện điều đó, nhóm nghiên cứu đã phát triển một thiết bị kết hợp các bộ ngắt mạch photon với ống chân không truyền thống. Tiến sĩ Lukin cho biết: “Từ lúc máy tính hình thành và phát triển hiện đại như ngày nay đều sử dụng các ống chân không tích hợp trong các bảng mạch. Nếu hệ thống máy tính lượng tử phát triển thì sẽ vẫn sử dụng công nghệ ống chân không tương tự để cô lập và giữ 1 nguyên tử duy nhất bằng trường điện từ.”

Mặc dù được xây dựng theo phương pháp truyền thống, nhưng các con chip của nhóm nghiên cứu chế tạo lại sử dụng ánh sáng để vận hành thay vì điện. Những con chip này được trang bị công nghệ nano, về cơ bản nó có khả năng kiểm soát đường đi của ánh sáng, từ đó tạo nên các bảng mạch và kết nối với sợi cáp quang.

Sau khi các sợi cáp quang được đặt vào trong buồng chân không, các nhà nghiên cứu sử dụng một chiếc “kẹp quang học” bằng laser để “bắt” 1 nguyên tử và làm lạnh nó về nhiệt độ gần như bằng 0. Cuối cùng, nguyên tử này sẽ được di chuyển trong phạm vi vài trăm nano mét trong con chip và thực hiện nhiệm vụ đóng mở của mình. 

Tiến sĩ Lukin cho biết thêm: “Để thực hiện được điều trên vẫn không hề đơn giản, nguyên tử được dùng làm công tắc phải tồn tại trong một trạng thái chồng chất đặc biệt. Trạng thái này khiến nguyên tử cực kỳ mỏng manh và dễ vỡ. Khi các photon va vào sẽ khiến trạng thái của nguyên tử thay đổi. Chính sự thay đổi trạng thái theo chu kỳ cho phép nó thực hiện nhiệm vụ như một cái van, đóng hoặc mở tùy theo trạng thái.”

Hiện tại, hệ thống trên của nhóm nghiên cứu vẫn còn hết sức sơ khai. Tiến sĩ Lukin còn dự đoán rằng mô hình mạng máy tính lượng tử vẫn cần phải được tiếp tục nghiên cứu ít nhất là 1 thập kỷ tới mới có thể trở được áp dụng rộng rãi. Tuy nhiên, những thành công ban đầu đã mở ra một viễn cảnh xán lạn về một công nghệ mạng máy tính ưu việt trong tương lai.