Hai đội nhà vật lí độc lập nhau vừa chế tạo ra những bộ nhớ lượng tử, dựa trên spin hạt nhân, đẩy lùi các giới hạn thời gian thông tin lượng tử có thể lưu trữ trong các dụng cụ bán dẫn. Một dụng cụ - xây dựng trên một tinh thể silicon-28 cực kì tinh khiết pha tạp chất – có khả năng lưu trữ dữ liệu lâu hơn 3 phút. Bộ nhớ kia – xây dựng trên những khoảng trống nitrogen (NV) trong một tinh thể kim cương carbon-12 tinh khiết đồng vị - thu được thời gian lưu trữ 1,4 giây. Trong khi kết quả thứ hai này nghe không ấn tượng cho lắm, nhưng bộ nhớ kim cương đó hoạt động ở nhiệt độ phòng, còn dụng cụ silicon phải làm lạnh xuống tới nhiệt độ dưới 2 K.
Những kết quả trên khiến những ai đang muốn chế tạo máy vi tính lượng tử cảm thấy hân hoan. Trên nguyên tắc thì máy vi tính lượng tử có thể sử dụng cơ học lượng tử để thực hiện những phép tính nhất định nhanh hơn nhiều so với máy vi tính thông thường. Đặc biệt, các kết quả trên có thể giúp xử lí một bài toán cơ bản cho các nhà nghiên cứu điện toán lượng tử đang quan tâm làm thế nào lưu trữ và xử lí các bit thông tin lượng tử (qubit).
Vấn đề là ở chỗ để cho qubit duy trì bản chất lượng tử của nó, nó phải được cô lập khỏi môi trường xung quanh để ngăn nó không bị phá hủy trong quá trình gọi là mất kết hợp. Nhưng để xử lí thông tin lượng tử, một qubit phải được điều khiển từ bên ngoài – và sự liên hệ với bên ngoài như thế này sẽ dẫn tới sự mất kết hợp. Một giải pháp là trước tiên lưu trữ thông tin lượng tử trong một qubit rất cô lập, trước khi truyền nó sang một qubit dễ truy xuất hơn, nơi đó nó có thể nhanh được xử lí, sau đó hồi trả nó về nơi cô lập an toàn.
Ảnh minh họa thông tin lượng tử có thể được lưu giữ như thế nào trong thời gian hơn 1 s ở nhiệt độ phòng ở kim cương. (Ảnh: Element Six)
Mặc dù những ion bị bẫy trong chân không đã được sử dụng để chế tạo ra những bộ nhớ có thể lưu trữ các qubit trong hàng chục phút, nhưng nhiều nhà vật lí tin rằng mọi dụng cụ điện toán lượng tử trên thực tế phải được chế tạo từ những chất liệu bán dẫn có thể tích hợp với các linh kiện điện tử thông thường. Hệ quả là một số nhà nghiên cứu đặt niềm hi vọng của họ vào cái có lẽ là hệ cô lập nhất trong một chất rắn – một spin hạt nhân. Nếu tác dụng một từ trường ngoài lên một spin hạt nhân như vậy, thì thông tin lượng tử có thể được lưu trữ trong trạng thái spin của hạt nhân đó – nó hoặc là hướng xuôi hoặc là hướng ngược với từ trường, chẳng hạn.
Không có spin hạt nhân trong phông nền
Bộ nhớ silicon mới do Mike Thewalt và các đồng sự tại trường Đại học Simon Fraser ở Vancouver, Canada, và Đại học Oxford ở Anh chế tạo. Họ làm việc song song với các nhà vật lí tại phòng thí nghiệm chuẩn PTB, Viện Tinh thể học Leibniz và Vitcon Projectconsult – toàn bộ đều ở Đức – họ chế tạo một bộ nhớ xây dựng trên spin hạt nhân của một hạt nhân phosphorous-31 nhúng trong silicon.
Trong khi đó, bộ nhớ kim cương được tạo ra tại trường Đại học Harvard ở Mĩ bởi Mikhail Lukin và đội khoa học của ông, với sự hỗ trợ từ phía các nhà vật lí tại Viện Công nghệ California ở Mĩ và Viện Quang học lượng tử Max Planck ở Garching, Đức. Dụng cụ của họ sử dụng một spin hạt nhân carbon-13 nằm gần một NV trong kim cương do công ti Element Six ở Luxembourg cung cấp. Silicon-28 và carbon-12 được chọn vì cả hai hạt nhân đều có spin hạt nhân bằng không và do đó, tương ứng, sẽ không tương tác với các spin hạt nhân phosphorus-31 và carbon-13 – một quá trình dẫn tới sự mất kết hợp.
Cả hai phương án đều sử dụng spin electron làm một qubit có thể xử lí từ bên ngoài để trao đổi thông tin lượng tử với bộ nhớ xây dựng trên spin hạt nhân. Ở bộ nhớ silicon, spin electron đi cùng với chính nguyên tử phosphorus, còn bộ nhớ kim cương sử dụng một electron từ NV.
Trong cả hai trường hợp, liên hệ giữa spin electron và spin hạt nhân xuất hiện qua “tương tác siêu tinh tế” giữa moment từ spin của electron và của hạt nhân. Kết quả là một sự phân tách nhỏ xíu của các mức năng lượng electron, làm ảnh hưởng đến cách chất liệu hấp thụ và phát xạ ánh sáng. Điều này cho phép sự truyền thông tin lượng tử có thể điều khiển qua việc sử dụng một chuỗi xung laser và vi sóng. Bằng cách sử dụng những chuỗi xung laser và vi sóng được chọn lựa cẩn thận, cả hai đội đã có thể truyền các trạng thái lượng tử của những qubit spin electron của họ sang các bộ nhớ spin hạt nhân. Sau đó, dữ liệu lượng tử có thể hồi phục bằng những chuỗi xung laser và vi sóng khác.
Những tương tác linh tinh
Một thách thức quan trọng mà cả hai đội đang đối mặt là sự có mặt của những tạp chất đồng vị silicon-29 và carbon-13 trong dụng cụ của họ. Những dụng cụ này có moment từ sẽ kết hợp với cả spin electron lẫn spin hạt nhân đang khảo sát, do đó làm đảo lộn các mức năng lượng và gây ra sự mất kết hợp. Để xử lí vấn đề này, cả hai nhóm sử dụng các phương án đặt hệ của họ vào những trạng thái trong đó những tương tác linh tinh này là tối thiểu.
Đội kim cương đã tiến thêm một bước nữa và thật sự “tắt” được tương tác siêu tinh tế giữa qubit và bộ nhớ trong khi số lượng đã cho được lưu lại, cho phép họ tăng thời gian lưu trữ lên hơn 1 s.
Thewalt cho biết đội của ông hiện đang khảo sát việc sử dụng hạt nhân bismuth trong silicon-28. Đồng thời có sự phân tách siêu tinh tế nổi rõ hơn, bismuth có spin hạt nhân 9/2, mang lại cho hệ phổ trạng thái siêu tinh tế phong phú hơn nhiều. “Chúng tôi cũng đang quan tâm đến spin hạt nhân của chất cho phosphorus ion hóa trong những mẩu chất này, chúng có thể có thời gian kết hợp lâu hơn, và duy trì thời gian kết hợp lâu này đến những nhiệt độ cao hơn,” ông nói.
Như với Lukin, ông tin rằng bộ nhớ của đội của ông có thể sớm có ứng dụng vượt ngoài sự điện toán lượng tử. Theo ông, độ nhạy của dụng cụ đối với từ trường có thể cho phép nhiều công nghệ cảm biến lượng tử mới lạ, ví dụ như những bộ cảm biến nhắm tới việc ghi ảnh từ trường ở cấp độ nano để dùng trong việc ghi ảnh các quá trình hóa học và sinh học.
Các kết quả công bố trên tạp chí Science.
123physics – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com
