Sự đột phá mới: khả năng tạo ra trạng thái lượng tử trong các thiết bị điện gia dụng, điều này có thể là tiền đề quan trọng cho việc phát triển Internet lượng tử.

Một ngày không xa, chúng ta có thể sử dụng các thiết bị điện gia dụng để... xây dựng hệ thống lượng tử.

Sau nhiều năm nỗ lực thu nhỏ kích thước của thiết bị điện tử, chúng ta đã có những sản phẩm điện tử tiên tiến hơn, nhưng cũng gặp phải giới hạn mà định luật Moore đã đặt ra. Đối mặt với thách thức lớn nhất của ngành điện tử là sự hiện diện của các bộ não sáng tạo nhất trên trái đất, những kỹ sư và nhà khoa học đang tìm kiếm một hướng đi mới: công nghệ thông tin lượng tử.

Công nghệ lượng tử tận dụng các quy luật kỳ lạ của thế giới hạt - những quy luật mà đến nay khoa học vẫn chưa hoàn toàn hiểu, nhưng biết rằng chúng không thể tồn tại cùng lúc với các thiết bị điện tử hàng ngày của chúng ta.

Tuy nhiên, có tin vui! Các nhà khoa học tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker, Đại học Chicago, vừa công bố một đột phá mới: một trạng thái lượng tử đặc biệt, có thể tồn tại và được điều khiển bởi các thiết bị điện được làm từ silicon carbide, một loại vật liệu bán dẫn phổ biến trong ngành điện tử.

“Chúng tôi rất bất ngờ về khả năng tạo ra và điều khiển các bit lượng tử trong các thiết bị điện tử thông thường”, David Awschalom, trưởng ban nghiên cứu và cũng là một trong những nhà pioner trong lĩnh vực công nghệ lượng tử, chia sẻ. “Những khám phá mới này thay đổi cách chúng ta nghĩ về việc phát triển công nghệ lượng tử - có lẽ một ngày nào đó, chúng ta sẽ có thể sử dụng các thiết bị điện gia dụng để tạo ra các thiết bị lượng tử”.

Trong hai báo cáo khoa học được công bố trên tạp chí Science và Science Advances, nhóm nghiên cứu do Awschalom chỉ ra khả năng kiểm soát trạng thái lượng tử bằng điện thông qua vật liệu silicon carbide. Điều này mở ra một cánh cửa mới: tạo ra các thiết bị điện tử lượng tử đơn giản, thay vì phải sử dụng những vật liệu cao cấp như kim loại siêu dẫn, kim cương hoặc nguyên tử lơ lửng trong không khí.

Các trạng thái lượng tử được quan sát trong silicon carbide cũng tạo ra các photon có bước sóng gần với dải sóng viễn thông. “Khả năng này cho phép chúng ta truyền dữ liệu bằng các sợi quang truyền thống, mà hiện nay đang vận chuyển 90% dữ liệu quốc tế trên toàn cầu”, ông Awschalom chia sẻ.

Hơn nữa, các photon này cũng có những tính chất đặc biệt khi kết hợp với các thiết bị điện tử hiện có. Trong báo cáo trên tạp chí Science Advances, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một “radio FM lượng tử”; tựa như bạn bật đài nghe nhạc, thông tin lượng tử cũng có thể truyền đi xa xôi.

Trong báo cáo trên tạp chí Science, nhóm nghiên cứu mô tả một đột phá khác, một cách giải quyết vấn đề thường gặp trong công nghệ lượng tử, đó là “nhiễu”.

“Tất cả các thiết bị bán dẫn đều có các tạp chất, và ở mức độ lượng tử, những tạp chất này có thể làm rối loạn thông tin lượng tử và tạo ra nhiễu điện từ”, tác giả Chris Anderson của nghiên cứu nói. “Đây có thể coi là một vấn đề đối với mọi công nghệ lượng tử”.

Tuy nhiên, chỉ cần sử dụng một công cụ đơn giản của ngành điện tử, đó là thiết bị điốt - một công tắc một chiều điều hướng electron, nhóm nghiên cứu đã đến kết luận bất ngờ: tín hiệu lượng tử không bị nhiễu nữa, gần như hoàn toàn ổn định.

“Trong thí nghiệm, chúng tôi phải sử dụng tia laser, nhưng nó khiến electron bay lung tung trong vật liệu thử nghiệm. Giống như chơi nhạc cướp ghế với electron vậy; khi tắt ánh sáng, mọi thứ ngay lập tức dừng lại, mỗi hạt ở một vị trí”, Alexandre Bourassa, cộng tác viên trong nghiên cứu nói. “Vấn đề nằm ở việc electron nằm ở vị trí ngẫu nhiên sẽ ảnh hưởng đến trạng thái lượng tử của hệ thống. Nhưng chúng tôi đã phát hiện ra rằng khi áp dụng trường điện, có thể loại bỏ hết electron và làm cho toàn bộ hệ thống ổn định hơn nhiều”.

Kết hợp giữa vật lý cơ học lượng tử và công nghệ bán dẫn đã phát triển đến mức chín muồi, Awschalom và đồng nghiệp đã dẫn đầu cuộc cách mạng công nghệ lượng tử.

“Công trình nghiên cứu này đưa chúng ta gần hơn tới khả năng lưu trữ, phân phát thông tin lượng tử qua hệ thống cáp quang hiện có”, ông Awschalom nói. “Mạng lưới lượng tử này sẽ mang lại các công nghệ mới, cho phép xây dựng các hệ thống liên lạc không thể bị hack, có thể ‘dịch chuyển tức thời’ trạng thái hạt để cuối cùng xây dựng Internet lượng tử”.

Tham khảo Phys.org