Sau “cuộc cách mạng lượng tử đầu tiên” – sự phát triển của các thiết bị như la-de và đồng hồ nguyên tử – “cuộc cách mạng lượng tử thứ hai” hiện đang diễn ra sôi nổi. Các chuyên gia từ khắp nơi trên thế giới đang phát triển về cơ bản các công nghệ mới dựa trên vật lý lượng tử. Một ứng dụng quan trọng là giao tiếp lượng tử, nơi thông tin được viết và gửi đi dưới ánh sáng. Đối với nhiều ứng dụng sử dụng hiệu ứng lượng tử, ánh sáng phải ở một trạng thái nhất định – cụ thể là trạng thái đơn photon. Nhưng cách tốt nhất để tạo ra các trạng thái photon đơn lẻ như vậy là gì? Trong lượng tử PRX tạp chí, các nhà nghiên cứu từ Münster, Bayreuth và Berlin (Đức) hiện đã đề xuất một phương pháp hoàn toàn mới để chuẩn bị các hệ lượng tử nhằm phát triển các thành phần cho công nghệ lượng tử.
Theo quan điểm của các chuyên gia, rất có triển vọng sử dụng các hệ thống lượng tử để tạo ra các trạng thái photon đơn lẻ. Một ví dụ nổi tiếng về một hệ thống lượng tử như vậy là một chấm lượng tử. Đây là một cấu trúc bán dẫn, kích thước chỉ vài nanomet. Các chấm lượng tử có thể được điều khiển bằng cách sử dụng xung laser. Mặc dù các chấm lượng tử có các tính chất tương tự như của nguyên tử, chúng được nhúng trong một ma trận tinh thể, thường là ứng dụng thực tế hơn. Tiến sĩ Tobias Heindel, người điều hành một phòng thí nghiệm về giao tiếp lượng tử tại Đại học Kỹ thuật Berlin, cho biết: “Các chấm lượng tử rất tuyệt vời để tạo ra các photon đơn lẻ và đó là điều mà chúng tôi đang làm trong phòng thí nghiệm của mình gần như hàng ngày”. Ông cho biết thêm: “Nhưng vẫn còn nhiều chỗ để cải thiện, đặc biệt là trong việc chuyển giao công nghệ này từ phòng thí nghiệm sang các ứng dụng thực tế.”
Một khó khăn cần phải vượt qua là tách các photon đơn được tạo ra khỏi xung laser thú vị. Trong công trình của mình, các nhà nghiên cứu đề xuất một phương pháp hoàn toàn mới để giải quyết vấn đề này. Thomas Bracht, tác giả chính của nghiên cứu, giải thích: “Sự kích thích khai thác một quá trình xoay lên trong hệ lượng tử”. “Để làm được điều này, chúng tôi sử dụng một hoặc nhiều xung laser có tần số khác rất nhiều với tần số trong hệ thống. Điều này làm cho việc lọc quang phổ trở nên rất dễ dàng.”
Trong giao tiếp lượng tử, các photon được tạo ra trong một hệ thống lượng tử (Alice) và được truyền qua cáp quang đến một hệ thống máy dò (Bob). Nhà cung cấp hình ảnh: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) và Tobias Heindel / TU Berlin
Các nhà khoa học định nghĩa “quá trình xoay lên” là một hành vi cụ thể của các hạt bị kích thích bởi ánh sáng laser trong hệ lượng tử – các electron hay chính xác hơn là các cặp electron-lỗ trống (exciton). Ở đây, ánh sáng laser từ hai tia laser được sử dụng phát ra các xung ánh sáng gần như đồng thời. Kết quả của sự tương tác của các xung với nhau, một sự điều biến nhanh xảy ra và trong mỗi chu kỳ điều chế, hạt luôn bị kích thích một chút, nhưng sau đó lại giảm dần về trạng thái cơ bản. Tuy nhiên, trong quá trình này, nó không rơi trở lại mức cũ mà bị kích thích mạnh hơn theo từng lần vung lên cho đến khi đạt trạng thái tối đa. Ưu điểm của phương pháp này là tia laser ánh sáng không cùng tần số với ánh sáng do các hạt kích thích phát ra. Điều này có nghĩa là các photon được tạo ra từ chấm lượng tử có thể được chỉ định rõ ràng.
Nhóm đã mô phỏng quá trình này trong hệ thống lượng tử, do đó đưa ra các hướng dẫn để thực hiện thử nghiệm. Phó giáo sư Tiến sĩ Doris Reiter, người đứng đầu cuộc nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi cũng giải thích vật lý của quá trình lắc lư, giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về động lực học trong hệ lượng tử.”
Để có thể sử dụng các photon trong giao tiếp lượng tử , chúng phải có một số đặc tính nhất định. Ngoài ra, bất kỳ sự chuẩn bị nào của hệ lượng tử không được chịu ảnh hưởng tiêu cực của các quá trình môi trường hoặc các ảnh hưởng gây rối. Trong các chấm lượng tử, đặc biệt là sự tương tác với vật liệu bán dẫn xung quanh thường là một vấn đề lớn đối với các sơ đồ chuẩn bị như vậy. “Chúng tôi mô phỏng số cho thấy các thuộc tính của các photon được tạo ra sau quá trình đu-up có thể so sánh với kết quả của các phương pháp thành lập để tạo ra các photon đơn lẻ, mà ít thực tế,” cho biết thêm Giáo sư Martin Axt, người đứng đầu nhóm các nhà nghiên cứu từ Bayreuth.
Nghiên cứu tạo thành công việc lý thuyết. Tuy nhiên, là kết quả của sự hợp tác giữa các nhóm lý thuyết và thực nghiệm, đề xuất này rất gần với điều kiện phòng thí nghiệm thực nghiệm thực tế, và các tác giả tin tưởng rằng việc triển khai thử nghiệm đề án sẽ sớm có thể thực hiện được. Với kết quả của họ, các nhà nghiên cứu đang tiến thêm một bước nữa để phát triển các công nghệ lượng tử của ngày mai.
Theo: Phys.
