Vòng laser kết nối các hệ lượng tử trên một khoảng cách lớn hơn

Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra sự liên kết mạnh mẽ giữa các hệ lượng tử trên một khoảng cách lớn hơn. Họ đã thực hiện điều này bằng một phương pháp mới trong đó một vòng laser kết nối các hệ thống, cho phép trao đổi thông tin gần như không mất mát và tương tác mạnh mẽ giữa chúng. Các nhà vật lý báo cáo rằng phương pháp mới mở ra những khả năng mới trong mạng lượng tử và công nghệ cảm biến lượng tử.

Công nghệ lượng tử hiện là một trong những lĩnh vực nghiên cứu tích cực nhất trên toàn thế giới. Nó lợi dụng các tính chất đặc biệt của các trạng thái cơ học lượng tử của các nguyên tử, ánh sáng hoặc cấu trúc nano để phát triển, ví dụ, các cảm biến mới cho y học và điều hướng, mạng để xử lý thông tin và mô phỏng mạnh mẽ cho khoa học vật liệu. Việc tạo ra các trạng thái lượng tử này thường đòi hỏi sự tương tác mạnh mẽ giữa các hệ thống liên quan, chẳng hạn như giữa một số nguyên tử hoặc cấu trúc nano.

Tuy nhiên cho đến nay, các tương tác đủ mạnh đã bị giới hạn trong khoảng cách ngắn. Thông thường, hai hệ thống phải được đặt gần nhau trên cùng một con chip ở nhiệt độ thấp hoặc trong cùng một buồng chân không, nơi chúng tương tác thông qua lực tĩnh điện hoặc lực từ. Tuy nhiên, việc ghép chúng qua các khoảng cách lớn hơn là cần thiết cho nhiều ứng dụng như mạng lượng tử hoặc một số loại cảm biến nhất định.

Một nhóm các nhà vật lý dẫn đầu bởi Giáo sư Philipp Treutlein từ Khoa Vật lý tại Đại học Basel và Viện Khoa học nano Thụy Sĩ (SNI), lần đầu tiên đã thành công trong việc tạo ra sự liên kết mạnh mẽ giữa hai hệ thống trên một khoảng cách lớn hơn trong một phòng môi trường nhiệt độ. Trong thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng ánh sáng laser để ghép các rung động của màng mỏng 100 nanomet với chuyển động của vòng quay của các nguyên tử trong khoảng cách một mét. Kết quả là, mỗi rung động của màng sẽ tạo ra sự quay tròn của các nguyên tử chuyển động và ngược lại.

Một vòng ánh sáng hoạt động như một lò xo cơ học

Thí nghiệm dựa trên một khái niệm mà các nhà nghiên cứu đã phát triển cùng với nhà vật lý lý thuyết Giáo sư Klemens Hammerer từ Đại học Hanover. Nó liên quan đến việc gửi một chùm ánh sáng laser qua lại giữa các hệ thống. “Ánh sáng sau đó hoạt động giống như một lò xo cơ học kéo dài giữa các nguyên tử và màng, và truyền lực giữa hai người”, Tiến sĩ Thomas Karg, người thực hiện các thí nghiệm như một phần của luận án tiến sĩ tại Đại học Basel giải thích. Trong vòng laser này, các tính chất của ánh sáng có thể được kiểm soát sao cho không có thông tin nào về chuyển động của hai hệ thống bị mất đối với môi trường, do đó đảm bảo rằng tương tác cơ học lượng tử không bị xáo trộn.

Các nhà nghiên cứu hiện đã thành công trong việc thực hiện khái niệm này lần đầu tiên và sử dụng nó trong một loạt các thí nghiệm. Sự kết hợp của các hệ lượng tử với ánh sáng rất linh hoạt và linh hoạt. Nhóm nghiên cứu có thể điều khiển chùm tia laser giữa các hệ thống, cho phép họ tạo ra các loại tương tác khác nhau hữu ích cho các cảm biến lượng tử.

Một công cụ mới cho công nghệ lượng tử

Ngoài việc ghép các nguyên tử với màng cơ nano, phương pháp mới cũng có thể được sử dụng trong một số hệ thống khác; ví dụ, khi ghép các bit lượng tử siêu dẫn hoặc hệ thống spin trạng thái rắn được sử dụng trong nghiên cứu điện toán lượng tử. Kỹ thuật mới cho khớp nối qua trung gian ánh sáng có thể được sử dụng để kết nối các hệ thống như vậy, tạo ra các mạng lượng tử để xử lý thông tin và mô phỏng. Đây là một công cụ mới, rất hữu ích cho hộp công cụ công nghệ lượng tử của chúng ta.

Các thí nghiệm được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu ở Basel đã được Hội đồng nghiên cứu châu Âu tài trợ như một phần của MODULAR dự án và bởi Trường tiến sĩ SNI.

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Basel . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. Thomas M. Karg, Baptiste Gouraud, Chun Tat Ngãi, Gian-Luca Schmid, Klemens Hammerer, Philipp Treutlein. Khớp nối mạnh qua trung gian ánh sáng giữa một bộ dao động cơ học và các spin nguyên tử cách nhau 1 mét . Khoa học , 2020; eabb0328 DOI: 10.1126 / khoa học.abb0328