Sử dụng một thiết kế qubit với các nguyên tử nitơ nhúng trong kim cương tổng hợp, một nhóm các nhà nghiên cứu đã phát triển một kỹ thuật mới kéo dài đáng kể thời gian của các trạng thái lượng tử mong manh.

Máy tính lượng tử là các thiết bị thí nghiệm hứa hẹn sự tăng tốc theo cấp số nhân đối với một số vấn đề điện toán. Ở máy tính cổ điển, một bit có thể biểu hiện một trong hai trạng thái 0 hoặc 1, trong khi một bit lượng tử, hay qubit, có thể biểu hiện đồng thời cả trạng thái 0 và 1, cho phép các máy tính lượng tử khai thác đồng thời nhiều giải pháp. Nhưng trong thực tế, các trạng thái lượng tử “chồng chập” như vậy rất khó duy trì.

Trong một bài báo xuất bản trên tạp chí Nature Communications, các nhà nghiên cứu của MIT và các cộng sự tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven và Công ty tổng hợp kim cương Element Six đã mô tả một thiết kế mới trong các thí nghiệm kéo dài thời gian chồng chập của một loại qubit đầy hứa hẹn lên một trăm lần.

Về lâu dài, công trình nghiên cứu có thể đưa đến các máy tính lượng tử thực tiễn nhưng trong ngắn hạn, nó có thể cho phép mở rộng không giới hạn các liên kết truyền thông lượng tử an toàn, một ứng dụng thương mại của công nghệ thông tin lượng tử hiện đang có phạm vi dưới 100 dặm.

Thiết kế qubit của các nhà nghiên cứu sử dụng các nguyên tử nitơ nhúng trong kim cương tổng hợp. Khi các nguyên tử nitơ tình cờ nằm cạnh các lỗ hổng trong mạng tinh thể của kim cương, chúng tạo ra các “chỗ trống nitơ” cho phép các nhà nghiên cứu kiểm soát quang học sự định hướng từ tính, hay “spin” của các điện tử đơn lẻ và các hạt nhân nguyên tử. Spin có thể lên, xuống, hoặc chồng chập cả hai.

Cho đến nay, hầu hết các trình diễn điện toán lượng tử thành công nhất có sự tham gia của các nguyên tử bị mắc kẹt trong từ trường. Nhưng “giữ một nguyên tử trong chân không là một việc rất khó, vì vậy đã có rất nhiều nỗ lực để cố gắng bẫy chúng trong các chất rắn”, Dirk Englund, phó giáo sư kỹ thuật điện và khoa học máy tại MIT và là tác giả của bài báo, cho biết. “Đặc biệt, bạn muốn có một chất rắn trong suốt để bạn có thể gửi ánh sáng vào trong và ra ngoài. Các tinh thể tốt hơn so với nhiều chất rắn khác, như thủy tinh, trong đó các nguyên tử của chúng rất đẹp và đều và cấu trúc điện tử của chúng cũng được xác định. Và trong số tất cả các tinh thể, kim cương là tinh thể đặc biệt tốt cho việc bắt giữ một nguyên tử, vì các hạt nhân của kim cương phần lớn không có các lưỡng cực từ, có thể gây ra tiếng ồn trên các spin điện tử”.

Chuyện đổi ánh sáng

Trong kim cương rời, trạng thái chồng chập của các spin tại các chỗ trống nitơ có thể kéo dài gần một giây. Nhưng để giao tiếp với nhau, các qubit trống nitơ cần có thể truyền thông tin qua các hạt ánh sáng, hay photon. Điều này đòi hỏi phải định vị được chỗ trống này bên trong một hộp cộng hưởng quang bẫy tạm thời các photon.

Trước đây, các thiết bị có các chỗ trống nitơ trong hộp cộng hưởng quang có thời gian chồng chập chỉ khoảng một micro giây. Thiết kế mới của các nhà nghiên cứu có thời gian chồng chập lên đến 200 micro giây.

Tuy nhiên, đối với các ứng dụng điện toán lượng tử, thời gian này không đủ để giữ các qubit đơn lẻ chồng chập. Các trạng thái lượng tử của chúng cũng cần bị ràng buộc (vướng víu), do đó nếu một qubit thoát ra khỏi trạng thái chồng chập - nếu nó nhận một giá trị nhất định hoặc là 0 hoặc là 1 - nó ràng buộc các trạng thái có thể của các qubit khác.

Trong các hệ thống sử dụng ánh sáng để di chuyển thông tin giữa các qubit trống nitơ, vướng víu xảy ra khi các hạt ánh sáng được phát ra bởi các qubit đồng thời chạm tới một thành phần quang, chẳng hạn như bộ tách chùm tia. Với các hệ thống trước đó, để tạo ra sự vướng víu giữa các qubit thường mất vài phút. Với hệ thống mới này, chỉ cần vài mili giây.

Thời gian này vẫn còn quá dài: Một thiết bị thực tế sẽ cần phải vướng víu các photon trước khi các qubit tương ứng của chúng thoát ra khỏi trạng thái chồng chập, hay “mất kết hợp”, “Nhưng những con số này thực sự khá hứa hẹn”, Englund nói. “Trong những năm tới, tốc độ vướng víu có thể nhanh hơn so với mất kết hợp”.

Thiết bị của các nhà nghiên cứu gồm một cấu trúc kim cương hình chiếc thang với một vị trí trống nitơ ở trung tâm của nó, được treo ngang bên trên một chất nền silic. Chiếu ánh sáng vuông góc lên thang làm cho điện tử trong chỗ trống nitơ chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn. Khi nó giảm trở lại trạng thái cơ bản của nó, nó giải phóng năng lượng dư thừa là một photon có trạng thái lượng tử có thể tương quan với chính nó.

Những khoảng trống trong cấu trúc kim cương - khoảng cách giữa các thanh ngang của thang - hành động như một tinh thể lượng tử ánh sáng, giam hãm photon này để nó bật lên và xuống trên các vị trí trống hàng ngàn lần. Khi photon này cuối cùng thoát ra, nó có khả năng cao di chuyển dọc theo trục của thang để nó có thể được dẫn vào một sợi quang.

Đúng hướng

Trong thực tế, cách duy nhất để đồng bộ hóa các photon được phát ra bởi các qubit khác nhau là xác suất: Lặp lại thí nghiệm nhiều lần và cuối cùng thì các photon sẽ đi đến thành phần quang học này cùng một lúc. Trong các hệ thống trước đó, cả thời gian và hướng phát xạ của các photon đều xảy ra tự nhiên. Trong hệ thống mới này, thời gian vẫn không nhất quán, nhưng hướng thì chắc chắn hơn. Điều đó, cùng với độ tinh khiết hơn của ánh sáng phát ra, sẽ giảm thời gian cần thiết để tạo ra sự vướng víu.

Quy trình sản xuất của các nhà nghiên cứu bắt đầu với một tấm wafer bằng kim cương tổng hợp dày 5 micromet với các nguyên tử nitơ nhúng ở các khoảng cách đều đặn được Công ty Element Six chế tạo. Các nhà nghiên cứu MIT sử dụng một plasma oxy để giảm độ dày của kim cương xuống còn 200 nanomet.

Những mảng kim cương thu được là quá nhỏ để khắc bằng các quá trình in thạch bản tiêu chuẩn. Vì vậy, các nhà nghiên cứu MIT đã phát triển một kỹ thuật mới, trong đó họ dán màng silic được khắc hình chiếc thang lên kim cương, sau đó một lần nữa sử dụng một plasma oxy để loại bỏ các vật liệu không được silic dán lên. Họ chuyển các cấu trúc thu được đến một chip sử dụng một đầu dò nguyên tử vonfram với một giọt xi-li-côn dính nhẹ vào đầu của nó.

“Khắc bằng axit thông qua một mặt nạ cứng chứ không phải là một chùm hội tụ-ion dường như đã giữ các vật liệu kim cương không bị các khuyết tật, do đó duy trì sự gắn kết spin”, Mete Atature, một độc giả về vật lý tại Đại học Cambridge, người không tham gia vào nghiên cứu, nói. “Đây là một bước quan trọng hướng tới việc sử dụng các trung tâm trống nitơ như các nguồn vướng víu, bộ lặp lượng tử, hay bộ nhớ lượng tử hiệu quả trong một mạng lưới được phân bổ. Hiệu quả thu thập cao hơn sẽ dẫn đến cả sản xuất ra nhanh hơn và kiểm tra nhanh hơn sự vướng víu, vì vậy có thể tăng tốc độ xung nhịp của một thiết bị điện toán”.