Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu dự đoán các mạch máy tính lượng tử sẽ không còn cần nhiệt độ cực lạnh để hoạt động có thể trở thành hiện thực sau khoảng một thập kỷ.
Các nhà nghiên cứu quân đội dự đoán các mạch máy tính lượng tử sẽ không còn cần nhiệt độ cực lạnh để hoạt động có thể trở thành hiện thực sau khoảng một thập kỷ.
Trong nhiều năm, công nghệ lượng tử trạng thái rắn hoạt động ở nhiệt độ phòng có vẻ xa vời. Trong khi việc áp dụng các tinh thể trong suốt với các phi tuyến quang học đã nổi lên như là con đường có khả năng nhất đến cột mốc này, tính hợp lý của một hệ thống như vậy vẫn luôn được đặt ra.
Giờ đây, các nhà khoa học quân đội đã chính thức xác nhận tính hợp lệ của phương pháp này. Tiến sĩ Kurt Jacobs thuộc Phòng thí nghiệm nghiên cứu phát triển khả năng chiến đấu của quân đội Hoa Kỳ làm việc cùng với Tiến sĩ Mikkel Heuck và Giáo sư Dirk Englund thuộc Viện Công nghệ Massachusetts, đã trở thành người đầu tiên chứng minh tính khả thi của cổng logic lượng tử bao gồm mạch quang tử và tinh thể quang.
“Nếu các thiết bị trong tương lai sử dụng công nghệ lượng tử sẽ yêu cầu làm mát đến nhiệt độ rất lạnh, thì điều này sẽ khiến chúng trở nên đắt đỏ, cồng kềnh và đói năng lượng”, Heuck chia sẻ. “Nghiên cứu của chúng tôi là nhằm phát triển các mạch quang tử trong tương lai, có thể điều khiển sự vướng víu cần thiết cho các thiết bị lượng tử ở nhiệt độ phòng.”
Công nghệ lượng tử cung cấp một loạt các tiến bộ trong tương lai về điện toán, truyền thông và viễn thám.
Để hoàn thành bất kỳ loại nhiệm vụ nào, máy tính cổ điển truyền thống làm việc với thông tin được xác định đầy đủ. Thông tin được lưu trữ trong nhiều bit, mỗi bit có thể bật hoặc tắt. Một máy tính cổ điển khi được cung cấp một đầu vào được chỉ định bởi một số bit có thể xử lý đầu vào này để tạo ra một câu trả lời, cũng được đưa ra dưới dạng một số bit. Một máy tính cổ điển xử lý một đầu vào tại một thời điểm.
Ngược lại, máy tính lượng tử lưu trữ thông tin trong các qubit có thể ở trạng thái lạ khi cả hai bật và tắt cùng một lúc. Điều này cho phép một máy tính lượng tử khám phá các câu trả lời cho nhiều đầu vào cùng một lúc. Mặc dù nó không thể xuất tất cả các câu trả lời cùng một lúc nhưng nó có thể xuất ra các mối quan hệ giữa các câu trả lời này, cho phép nó giải quyết một số vấn đề nhanh hơn nhiều so với máy tính cổ điển.
Thật không may, một trong những nhược điểm chính của các hệ lượng tử là sự mong manh của các trạng thái kỳ lạ của các qubit. Hầu hết các phần cứng tiềm năng cho công nghệ lượng tử phải được giữ ở nhiệt độ cực lạnh – gần bằng 0 kelvins – để ngăn chặn các trạng thái đặc biệt bị phá hủy bằng cách tương tác với môi trường của máy tính.
Jacobs nói thêm: “Bất kỳ tương tác nào mà một qubit có với bất kỳ thứ gì khác trong môi trường của nó sẽ bắt đầu làm biến dạng trạng thái lượng tử của nó. Ví dụ, nếu môi trường là một loại khí của các hạt thì việc giữ cho nó rất lạnh sẽ giữ cho các phân tử khí di chuyển chậm, vì vậy chúng không đâm vào các mạch lượng tử nhiều như vậy.”
Các nhà nghiên cứu đã chỉ đạo các nỗ lực khác nhau để giải quyết vấn đề này, nhưng một giải pháp xác định vẫn chưa được tìm thấy. Hiện tại, các mạch quang tử kết hợp các tinh thể quang phi tuyến đã xuất hiện như là con đường khả thi duy nhất cho điện toán lượng tử với các hệ thống trạng thái rắn ở nhiệt độ phòng.
Mạch quang tử hơi giống với mạch điện, ngoại trừ chúng điều khiển ánh sáng thay vì tín hiệu điện. Ví dụ, chúng ta có thể tạo các kênh trong một vật liệu trong suốt mà các photon sẽ truyền xuống, giống như tín hiệu điện truyền dọc theo dây dẫn.
Không giống như các hệ lượng tử sử dụng các ion hoặc nguyên tử để lưu trữ thông tin, các hệ lượng tử sử dụng photon có thể vượt qua giới hạn nhiệt độ lạnh. Tuy nhiên, các photon vẫn phải tương tác với các photon khác để thực hiện các hoạt động logic. Đây là nơi mà các tinh thể quang phi tuyến phát huy tác dụng.
Các nhà nghiên cứu có thể thiết kế các hốc trong các tinh thể tạm thời bẫy các photon bên trong. Thông qua phương pháp này, hệ thống lượng tử có thể thiết lập hai trạng thái có thể khác nhau mà một qubit có thể giữ: một khoang có photon (bật) và một khoang không có photon (tắt). Các qubit này sau đó có thể tạo thành các cổng logic lượng tử, tạo ra khuôn khổ cho các trạng thái lạ.
Nói cách khác, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng trạng thái không xác định xem có hay không một photon nằm trong khoang tinh thể để biểu diễn một qubit. Các cổng logic hoạt động trên hai qubit với nhau và có thể tạo ra “sự vướng víu lượng tử” giữa chúng. Sự vướng víu này được tự động tạo ra trong một máy tính lượng tử và được yêu cầu cho các phương pháp lượng tử đối với các ứng dụng trong cảm biến.
Tuy nhiên, các nhà khoa học dựa trên ý tưởng để tạo ra các cổng logic lượng tử sử dụng các tinh thể quang phi tuyến hoàn toàn dựa trên suy đoán – cho đến thời điểm này. Trong khi nó cho thấy lời hứa to lớn, những nghi ngờ vẫn là liệu phương pháp này thậm chí có thể dẫn đến các cổng logic thực tế hay không.
Việc áp dụng các tinh thể quang phi tuyến vẫn còn tồn tại cho đến khi các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Quân đội và MIT trình bày một cách để nhận ra một cổng logic lượng tử với phương pháp này bằng cách sử dụng các thành phần mạch quang tử được thiết lập.
“Vấn đề là nếu một người có một photon truyền trong một kênh, thì photon có một” gói sóng “với hình dạng nhất định,” Jacobs nói. “Đối với một cổng lượng tử, bạn cần các gói sóng photon giữ nguyên sau khi hoạt động của cổng. Vì các phi tuyến làm biến dạng các gói sóng, câu hỏi là liệu bạn có thể tải gói sóng vào các hốc hay không, để chúng tương tác qua phi tuyến, và sau đó phát ra các photon một lần nữa để chúng có cùng các gói sóng như khi chúng bắt đầu. “
Một khi họ thiết kế cổng logic lượng tử, các nhà nghiên cứu đã thực hiện nhiều mô phỏng máy tính về hoạt động của cổng để chứng minh rằng về mặt lý thuyết, nó có thể hoạt động một cách thích hợp. Các nhà nghiên cứu cho biết việc xây dựng một cổng logic lượng tử bằng phương pháp này trước tiên sẽ đòi hỏi những cải tiến đáng kể về chất lượng của một số thành phần quang tử nhất định.
Dựa trên những tiến bộ đạt được trong thập kỷ qua, các nhà khoa học hy vọng rằng sẽ mất khoảng mười năm để những cải tiến cần thiết được hiện thực hóa,. Tuy nhiên, quá trình tải và phát ra một gói sóng mà không bị biến dạng là điều mà chúng ta có thể nhận ra với công nghệ thử nghiệm hiện tại, và đó là một thử nghiệm mà chúng ta sẽ thực hiện tiếp theo.
Nguồn truyện:
Tài liệu do Phòng thí nghiệm nghiên cứu quân đội Hoa Kỳ cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :