Các photon là cơ sở cho nhiều công nghệ lượng tử thế hệ tiếp theo, bao gồm truyền thông lượng tử siêu an toàn và máy tính lượng tử có khả năng thay đổi trò chơi.
Đó là bởi vì những hạt ánh sáng này có thể bị vướng vào nhau hoặc được đặt trong một chồng chất — hai trạng thái lượng tử cho phép các công nghệ lượng tử.
Nhưng để tạo ra những trạng thái này, các nhà nghiên cứu cần phải làm việc với các loại ánh sáng cực kỳ phi cổ điển có một số lượng nhỏ các photon, hoặc thậm chí chỉ một photon . Đó có thể là một nhiệm vụ khó khăn đòi hỏi một thiết lập phức tạp, vì các nguồn sáng điển hình (như tia laser) tạo ra các trạng thái luôn có khả năng có một số lượng lớn các photon.
Các nhà lý thuyết tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker (PME) thuộc Đại học Chicago đã phát triển một sơ đồ mới để bẫy các photon đơn lẻ trong một khoang . Cơ chế của chúng cho phép hai nguồn phát ra số lượng photon đã chọn vào một khoang trước khi sự giao thoa hủy diệt loại bỏ cả hai nguồn, về cơ bản tạo ra một “bức tường” ngăn cản các photon khác xâm nhập vào.
Cơ chế mới này có thể cung cấp một cách đơn giản hơn để tạo ra ánh sáng lượng tử mà không cần sử dụng các vật liệu và hệ thống phức tạp thường được yêu cầu.
Nghiên cứu do Giáo sư Aashish Clerk đứng đầu với các nghiên cứu sinh Andrew Lingenfelter và David Roberts, được xuất bản ngày 26 tháng 11 trên tạp chí Science Advances .
Tạo ‘bức tường’ giao thoa
Các hệ thống điển hình để bẫy các photon đơn lẻ trong một hốc liên quan đến việc sử dụng các vật liệu có độ phi tuyến quang học cực kỳ lớn, buộc các photon trong hốc tương tác mạnh với nhau. Trong các hệ thống như vậy, tần số cộng hưởng của khoang có thể thay đổi mạnh mẽ bằng cách thêm vào dù chỉ một photon. Nếu sau đó người ta chiếu tia laze vào khoang, một photon có thể đi vào, nhưng không thể bước vào giây (do sự dịch tần do photon đầu tiên tạo ra).
Vấn đề với cơ chế này là nó đòi hỏi độ phi tuyến quang học cực lớn và độ tiêu tán rất thấp, một sự kết hợp cực kỳ khó khăn nếu không muốn nói là không thể đạt được trong hầu hết các nền tảng.
Hệ thống do nhóm nghiên cứu của Clerk đề xuất sử dụng hai nguồn khác nhau để đồng thời phát ra các photon vào một khoang có độ phi tuyến cực kỳ yếu (quá yếu đối với các phương pháp tiếp cận thông thường để hoạt động). Với sự điều chỉnh cẩn thận, các nguồn này sau đó sẽ triệt tiêu lẫn nhau bằng giao thoa triệt tiêu — tạo ra một “bức tường” chặn các photon — một khi số lượng photon đã chọn được thu giữ trong khoang.
Các ứng dụng tiềm năng là trên phạm vi rộng. Sử dụng nhiễu triệt tiêu theo cách này có nghĩa là hệ thống không phải sử dụng các vật liệu phi tuyến tính quang học đặc biệt, mở ra cánh cửa cho một số nền tảng khác nhau, bao gồm cả như một công cụ để mô phỏng lượng tử.
Cơ chế cơ bản cũng có thể được áp dụng cho tất cả các loại bức xạ điện từ, không chỉ ánh sáng nhìn thấy. Một khả năng thú vị là sử dụng nó để tạo ra và điều khiển các photon tần số vi sóng trong một mạch siêu dẫn. Điều này có thể cho phép những cách mới để lưu trữ và xử lý thông tin lượng tử. Nhóm của Clerk hiện đang làm việc với các nhà thực nghiệm để triển khai kế hoạch này nhằm thực hiện điều đó.
Ông và các cộng sự của mình thậm chí đang xem xét hệ thống như một cách tiềm năng để vướng vào các photon, trong đó việc quan sát một photon sẽ tự động cung cấp thông tin về photon mà nó bị vướng vào, bất kể chúng ở cách xa nhau như thế nào.
“Chúng tôi nghĩ rằng chương trình này có thể hoạt động trong nhiều hệ thống khác nhau”, Clerk nói. “Nếu bạn không cần các vật liệu đặc biệt, nó thực sự mở rộng tiềm năng của các công nghệ lượng tử dựa trên ánh sáng.”
Theo Phys.
