newboi
Lồn phải lá han
dịch chuyển tức thời là một kỹ thuật sẽ cho phép chuyển giao thông tin lượng tử giữa hai vật thể lượng tử cách-xa-nhau: một bộ gửi và một bộ nhận - sử dụng một hiện tượng có tên là vướng mắc lượng tử
đặc trưng độc đáo của tiến trình này là thông tin thực sự sẽ không được chuyển giao bằng cách gửi đi bit lượng tử [qubit] qua một kênh liên lạc kết nối hai bên: thay vào đó, thông tin sẽ bị phá huỷ ở một địa điểm và xuất hiện ở địa điểm còn lại, mà không du hành vật lý giữa hai bên - đặc điểm này sẽ được cho phép bởi vướng mắc lượng tử, đồng hành với sự truyền tải của bit cổ điển
dịch chuyển tức thời sẽ cho phép truyền tải bit lượng tử giữa các nút [node] xa nhau, sử dụng vướng mắc đã chia sẻ trước đó: sẽ giúp ứng dụng công nghệ lượng tử vào mạng lưới viễn thông hiện nay và mở rộng những liên lạc siêu-an-toàn ở khoảng cách xa - ngoài ra, dịch chuyển tức thời sẽ cho phép truyền tải thông tin lượng tử giữa những loại hệ thống lượng tử khác nhau, ví dụ giữa ánh sáng và vật chất, hoặc giữa những loại nút [node] lượng tử khác nhau
đầu thập niên 1990 dịch chuyển tức thời đã được đề xuất lý thuyết: những biểu diễn thí nghiệm đã được thực hiện bởi nhiều nhóm khắp thế giới - mặc dù cộng đồng khoa học đã tích luỹ được kinh nghiệm về cách thức thực hiện những thí nghiệm này, vẫn còn câu hỏi mở rằng làm sao để dịch chuyển tức thời thông tin một cách thực tiễn, tạo điều kiện cho liên lạc lượng tử đáng tin cậy và nhanh chóng qua một mạng lưới rộng khắp
hiển nhiên là một hạ tầng như thế sẽ cần tương thích với mạng lưới viễn thông hiện tại: ngoài ra, thủ tục của dịch chuyển tức thời sẽ cần một công đoạn cuối cùng để được ứng dụng lên qubit được dịch chuyển - lấy điều kiện trên kết quả của phép đo lường được dịch chuyển (được truyền tải bởi bit kinh điển) để truyền tải thông tin một cách trung thực và tốc độ cao, một tính năng có tên là "chủ động phản hồi về tương lai" [active feed-forward]
nghĩa là bộ nhận sẽ cần một thiết bị là một bộ nhớ lượng tử: có thể lưu trữ qubit mà không bị hư hỏng, cho đến khi công đoạn cuối cùng có thể được thực hiện
cuối cùng, bộ nhớ lượng tử này cần được hoạt động theo một phương cách bị dồn kênh [multiplexe] để tối đa hoá tốc độ của thông tin đang dịch chuyển khi bộ gửi và bộ nhận ở xa nhau: đến nay, chưa lần thực hiện nào đã từng kết hợp được đủ 3 yêu cầu này trong cùng một biểu diễn thí nghiệm
mới đây, tạp chí Nature Communications xuất bản công trình của nhóm nghiên cứu là sinh viên viện Khoa học Quang tử [ICFO institute of photonic science] có Dario Lago-Rivera, Jelena V.Rakonjac và Samuele Grandi, dẫn dắt bởi giáo sư Hugues de Riedmatten: báo cáo đã thành công dịch chuyển tức thời khoảng cách xa của thông tin lượng tử từ một photon đến một qubit thể rắn - là một photon được lưu trữ trong một bộ nhớ lượng tử bị dồn kênh [multiplexe]
kỹ thuật có sử dụng một sắp đặt "chủ động phản hồi về tương lai" theo đó, cùng với đa phương thức [multimodality] của bộ nhớ, đã cho phép tối đa hoá tốc độ dịch chuyển: kiến trúc đề xuất đã tương thích với những kênh viễn thông, do đó cho phép ứng dụng tương lai và mở rộng quy mô cho liên lạc lượng tử khoảng-cách-xa
Làm thế nào để dịch chuyển tức thời
nhóm đã phát triển hai bố trí thí nghiệm, mà biệt ngữ của cộng đồng vẫn thường gọi là Alice và Bob: hai thiết lập sẽ kết nối qua 1 km cáp quang bị quấn lại thành một cuộn dây để mô phỏng khoảng cách vật lý giữa hai bên
3 photon được sử dụng trong thí nghiệm: ở bố trí đầu tiên, Alice, nhóm sử dụng một tinh thể đặc biệt để tạo ra hai photon bị vướng mắc - photon đầu tiên ở 606 nanomét gọi là photon ra tín hiệu, và photon thứ hai gọi là photon chờ [idle] tương thích với kiến trúc viễn thông
sau khi đã tạo ra, "chúng tôi giữ photon 606 nanomét ở Alice và lưu trữ nó trong một bộ nhớ lượng tử thể rắn bị dồn kênh, giữ nó trong bộ nhớ để xử lý sau. Đồng thời, chúng tôi lấy photon viễn thông, được tạo ra ở Alice, và gửi nó qua 1 km cáp quang đến bố trí Bob" - Dario Lago kể lại
ở bố trí Bob, các nhà khoa học đã có một tinh thể khác, nơi họ tạo nên một photon thứ 3, nơi họ mã hoá bit lượng tử họ muốn dịch chuyển. Sau khi photon thứ 3 được tạo ra, photon thứ hai đã đến Bob và đây là sân khấu chính của thí nghiệm dịch chuyển tức thời sẽ diễn ra
Dịch chuyển thông tin xa hơn 1 km
photon thứ 2 và photon thứ 3 sẽ giao thoa với nhau qua "phép đo lường trạng thái Bell" [BSM]: hiệu ứng của phép đo lường là để trộn lẫn trạng thái của photon thứ 2 và 3. Vì photon thứ nhất và thứ hai đã vướng mắc với nhau sẵn, tức là trạng thái chung [joint state] của chúng là rất tương quan, kết quả của BSM là chuyển dịch thông tin đã mã hoá trong photon thứ ba đến photon thứ nhất, lưu trữ bởi Alice trong bộ nhớ lượng tử cách đấy 1 km
Dario Lago và Jelena Rakonjac nói: "chúng tôi có thể truyền tải thông tin giữa hai photon chưa bao giờ liên lạc trước đó, chỉ được kết nối qua một photon thứ ba có vướng mắc với photon đầu tiên. Độc đáo của thí nghiệm này là chúng tôi đã triển khai một bộ nhớ lượng tử bị dồn kênh, có thể lưu trữ photon thứ nhất đủ lâu, sao cho khi Alice phát hiện ra tương tác đã xảy ra, chúng tôi vẫn có thể xử lý thông tin đã dịch chuyển, như yêu cầu của thủ tục"
tiến trình xử lý mà Dario và Jelena nhắc đến là kỹ thuật "chủ động phản hồi về tương lai" [active feed-forward] nói ở trên: dựa vào kết quả của BSM, ta sẽ dịch-pha photon thứ nhất sau khi lưu trữ trong bộ nhớ. Nhờ cách này, cùng trạng thái sẽ luôn được mã hoá trong photon thứ nhất. Nếu không, nửa sự kiện dịch chuyển sẽ phải bị bãi bỏ
hơn nữa, tính đa phương thức của bộ nhớ lượng tử sẽ cho phép họ tăng tốc độ dịch chuyển cao hơn những hạn chế bị bó buộc bởi khoảng cách 1 km giữa chúng, mà không làm giảm chất lượng của qubit được dịch chuyển. Nhìn chung, kết quả là tốc độ dịch chuyển sẽ cao hơn 3 lần một bộ nhớ lượng tử chế-độ-đơn và chỉ bị hạn chế bởi tốc độ của phần cứng cổ điển
Quy mô và tích hợp
năm 2021 nhóm này thực hiện thí nghiệm: lần đầu tiên đạt được vướng mắc 2 bộ nhớ lượng tử đa-chế-độ cách nhau 10 mét và được truyền tin bởi một photon ở bước sóng viễn thông - là tiền đề cho thí nghiệm hiện tại
giáo sư Hugues de Riedmatten nhấn mạnh: "dịch chuyển tức thời là cần thiết để tạo điều kiện cho liên lạc chất-lượng-cao khoảng-cách-xa cho internet lượng tử tương lai. Mục tiêu của chúng tôi là thực thi dịch chuyển tức thời trong những mạng lưới phức tạp hơn nữa, với vướng mắc đã phân phối trước đó. Đặc điểm thể rắn và được dồn kênh của những nút [node] lượng tử của chúng tôi, cũng như khả năng tương thích với mạng lưới viễn thông, sẽ khiến chúng là cách tiếp cận đầy hứa hẹn để triển khai công nghệ ra khoảng cách xa trong mạng lưới sợi cáp được cài đặt"
những cải thiện thêm đã được lên kế hoạch. Một mặt, nhóm tập trung vào phát triển và mở rộng bố trí ra những khoảng cách xa hơn trong khi vẫn duy trì được hiệu suất và tốc độ. Mặt khác, họ nhắm đến nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật này vào truyền tải thông tin giữa những thể loại nút [node] lượng tử khác nhau, để internet lượng tử tương lai có thể phân phối và xử lý thông tin lượng tử giữa những vị trí xa
phys.org
đặc trưng độc đáo của tiến trình này là thông tin thực sự sẽ không được chuyển giao bằng cách gửi đi bit lượng tử [qubit] qua một kênh liên lạc kết nối hai bên: thay vào đó, thông tin sẽ bị phá huỷ ở một địa điểm và xuất hiện ở địa điểm còn lại, mà không du hành vật lý giữa hai bên - đặc điểm này sẽ được cho phép bởi vướng mắc lượng tử, đồng hành với sự truyền tải của bit cổ điển
dịch chuyển tức thời sẽ cho phép truyền tải bit lượng tử giữa các nút [node] xa nhau, sử dụng vướng mắc đã chia sẻ trước đó: sẽ giúp ứng dụng công nghệ lượng tử vào mạng lưới viễn thông hiện nay và mở rộng những liên lạc siêu-an-toàn ở khoảng cách xa - ngoài ra, dịch chuyển tức thời sẽ cho phép truyền tải thông tin lượng tử giữa những loại hệ thống lượng tử khác nhau, ví dụ giữa ánh sáng và vật chất, hoặc giữa những loại nút [node] lượng tử khác nhau
đầu thập niên 1990 dịch chuyển tức thời đã được đề xuất lý thuyết: những biểu diễn thí nghiệm đã được thực hiện bởi nhiều nhóm khắp thế giới - mặc dù cộng đồng khoa học đã tích luỹ được kinh nghiệm về cách thức thực hiện những thí nghiệm này, vẫn còn câu hỏi mở rằng làm sao để dịch chuyển tức thời thông tin một cách thực tiễn, tạo điều kiện cho liên lạc lượng tử đáng tin cậy và nhanh chóng qua một mạng lưới rộng khắp
hiển nhiên là một hạ tầng như thế sẽ cần tương thích với mạng lưới viễn thông hiện tại: ngoài ra, thủ tục của dịch chuyển tức thời sẽ cần một công đoạn cuối cùng để được ứng dụng lên qubit được dịch chuyển - lấy điều kiện trên kết quả của phép đo lường được dịch chuyển (được truyền tải bởi bit kinh điển) để truyền tải thông tin một cách trung thực và tốc độ cao, một tính năng có tên là "chủ động phản hồi về tương lai" [active feed-forward]
nghĩa là bộ nhận sẽ cần một thiết bị là một bộ nhớ lượng tử: có thể lưu trữ qubit mà không bị hư hỏng, cho đến khi công đoạn cuối cùng có thể được thực hiện
cuối cùng, bộ nhớ lượng tử này cần được hoạt động theo một phương cách bị dồn kênh [multiplexe] để tối đa hoá tốc độ của thông tin đang dịch chuyển khi bộ gửi và bộ nhận ở xa nhau: đến nay, chưa lần thực hiện nào đã từng kết hợp được đủ 3 yêu cầu này trong cùng một biểu diễn thí nghiệm
mới đây, tạp chí Nature Communications xuất bản công trình của nhóm nghiên cứu là sinh viên viện Khoa học Quang tử [ICFO institute of photonic science] có Dario Lago-Rivera, Jelena V.Rakonjac và Samuele Grandi, dẫn dắt bởi giáo sư Hugues de Riedmatten: báo cáo đã thành công dịch chuyển tức thời khoảng cách xa của thông tin lượng tử từ một photon đến một qubit thể rắn - là một photon được lưu trữ trong một bộ nhớ lượng tử bị dồn kênh [multiplexe]
kỹ thuật có sử dụng một sắp đặt "chủ động phản hồi về tương lai" theo đó, cùng với đa phương thức [multimodality] của bộ nhớ, đã cho phép tối đa hoá tốc độ dịch chuyển: kiến trúc đề xuất đã tương thích với những kênh viễn thông, do đó cho phép ứng dụng tương lai và mở rộng quy mô cho liên lạc lượng tử khoảng-cách-xa
Làm thế nào để dịch chuyển tức thời
nhóm đã phát triển hai bố trí thí nghiệm, mà biệt ngữ của cộng đồng vẫn thường gọi là Alice và Bob: hai thiết lập sẽ kết nối qua 1 km cáp quang bị quấn lại thành một cuộn dây để mô phỏng khoảng cách vật lý giữa hai bên
3 photon được sử dụng trong thí nghiệm: ở bố trí đầu tiên, Alice, nhóm sử dụng một tinh thể đặc biệt để tạo ra hai photon bị vướng mắc - photon đầu tiên ở 606 nanomét gọi là photon ra tín hiệu, và photon thứ hai gọi là photon chờ [idle] tương thích với kiến trúc viễn thông
sau khi đã tạo ra, "chúng tôi giữ photon 606 nanomét ở Alice và lưu trữ nó trong một bộ nhớ lượng tử thể rắn bị dồn kênh, giữ nó trong bộ nhớ để xử lý sau. Đồng thời, chúng tôi lấy photon viễn thông, được tạo ra ở Alice, và gửi nó qua 1 km cáp quang đến bố trí Bob" - Dario Lago kể lại
ở bố trí Bob, các nhà khoa học đã có một tinh thể khác, nơi họ tạo nên một photon thứ 3, nơi họ mã hoá bit lượng tử họ muốn dịch chuyển. Sau khi photon thứ 3 được tạo ra, photon thứ hai đã đến Bob và đây là sân khấu chính của thí nghiệm dịch chuyển tức thời sẽ diễn ra
Dịch chuyển thông tin xa hơn 1 km
photon thứ 2 và photon thứ 3 sẽ giao thoa với nhau qua "phép đo lường trạng thái Bell" [BSM]: hiệu ứng của phép đo lường là để trộn lẫn trạng thái của photon thứ 2 và 3. Vì photon thứ nhất và thứ hai đã vướng mắc với nhau sẵn, tức là trạng thái chung [joint state] của chúng là rất tương quan, kết quả của BSM là chuyển dịch thông tin đã mã hoá trong photon thứ ba đến photon thứ nhất, lưu trữ bởi Alice trong bộ nhớ lượng tử cách đấy 1 km
Dario Lago và Jelena Rakonjac nói: "chúng tôi có thể truyền tải thông tin giữa hai photon chưa bao giờ liên lạc trước đó, chỉ được kết nối qua một photon thứ ba có vướng mắc với photon đầu tiên. Độc đáo của thí nghiệm này là chúng tôi đã triển khai một bộ nhớ lượng tử bị dồn kênh, có thể lưu trữ photon thứ nhất đủ lâu, sao cho khi Alice phát hiện ra tương tác đã xảy ra, chúng tôi vẫn có thể xử lý thông tin đã dịch chuyển, như yêu cầu của thủ tục"
tiến trình xử lý mà Dario và Jelena nhắc đến là kỹ thuật "chủ động phản hồi về tương lai" [active feed-forward] nói ở trên: dựa vào kết quả của BSM, ta sẽ dịch-pha photon thứ nhất sau khi lưu trữ trong bộ nhớ. Nhờ cách này, cùng trạng thái sẽ luôn được mã hoá trong photon thứ nhất. Nếu không, nửa sự kiện dịch chuyển sẽ phải bị bãi bỏ
hơn nữa, tính đa phương thức của bộ nhớ lượng tử sẽ cho phép họ tăng tốc độ dịch chuyển cao hơn những hạn chế bị bó buộc bởi khoảng cách 1 km giữa chúng, mà không làm giảm chất lượng của qubit được dịch chuyển. Nhìn chung, kết quả là tốc độ dịch chuyển sẽ cao hơn 3 lần một bộ nhớ lượng tử chế-độ-đơn và chỉ bị hạn chế bởi tốc độ của phần cứng cổ điển
Quy mô và tích hợp
năm 2021 nhóm này thực hiện thí nghiệm: lần đầu tiên đạt được vướng mắc 2 bộ nhớ lượng tử đa-chế-độ cách nhau 10 mét và được truyền tin bởi một photon ở bước sóng viễn thông - là tiền đề cho thí nghiệm hiện tại
giáo sư Hugues de Riedmatten nhấn mạnh: "dịch chuyển tức thời là cần thiết để tạo điều kiện cho liên lạc chất-lượng-cao khoảng-cách-xa cho internet lượng tử tương lai. Mục tiêu của chúng tôi là thực thi dịch chuyển tức thời trong những mạng lưới phức tạp hơn nữa, với vướng mắc đã phân phối trước đó. Đặc điểm thể rắn và được dồn kênh của những nút [node] lượng tử của chúng tôi, cũng như khả năng tương thích với mạng lưới viễn thông, sẽ khiến chúng là cách tiếp cận đầy hứa hẹn để triển khai công nghệ ra khoảng cách xa trong mạng lưới sợi cáp được cài đặt"
những cải thiện thêm đã được lên kế hoạch. Một mặt, nhóm tập trung vào phát triển và mở rộng bố trí ra những khoảng cách xa hơn trong khi vẫn duy trì được hiệu suất và tốc độ. Mặt khác, họ nhắm đến nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật này vào truyền tải thông tin giữa những thể loại nút [node] lượng tử khác nhau, để internet lượng tử tương lai có thể phân phối và xử lý thông tin lượng tử giữa những vị trí xa
Long-distance quantum teleportation enabled by multiplexed quantum memories
Quantum teleportation is a technique allowing the transfer of quantum information between two distant quantum objects, a sender and a receiver, using a phenomenon called quantum entanglement as a resource.
Sửa lần cuối:
)
