Các nhà nghiên cứu tại Viện Niels Bohr của Đại học Copenhagen đã phát triển một phương pháp mới để tạo ra bộ nhớ lượng tử: Một chiếc trống nhỏ có thể lưu trữ dữ liệu được gửi đi bằng ánh sáng trong các dao động âm thanh của nó, sau đó chuyển tiếp dữ liệu bằng các nguồn sáng mới khi cần thiết. Kết quả chứng minh rằng bộ nhớ cơ học cho dữ liệu lượng tử có thể là chiến lược mở đường cho một mạng Internet cực kỳ an toàn với tốc độ đáng kinh ngạc.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Ngay bên dưới văn phòng cũ của Niels Bohr là một tầng hầm nơi những chiếc bàn rải rác được phủ những tấm gương nhỏ, tia laser và tập hợp đủ loại thiết bị được kết nối bằng mạng lưới dây và hàng đống băng dính. Có vẻ như dự án của một đứa trẻ đã đi quá xa, một dự án mà cha mẹ chúng đã cố gắng thuyết phục chúng dọn dẹp một cách vô ích.
Mặc dù con mắt chưa qua đào tạo khó có thể nhận ra rằng những chiếc bàn này thực sự là ngôi nhà của một loạt các dự án nghiên cứu hàng đầu thế giới, nhưng điều quan trọng đang diễn ra trong những thế giới nhỏ đến mức ngay cả định luật Newton cũng không áp dụng được. Đây là nơi những người thừa kế vật lý lượng tử của Niels Bohr đang phát triển những công nghệ lượng tử tiên tiến nhất.
Một trong những dự án này nổi bật – ít nhất là đối với các nhà vật lý – bởi thực tế là một gizmo có thể nhìn thấy bằng mắt thường có thể đạt được trạng thái lượng tử. Trống lượng tử là một màng nhỏ làm bằng vật liệu gốm, giống thủy tinh với các lỗ nằm rải rác theo kiểu gọn gàng dọc theo các cạnh của nó.
Khi trống được đánh bằng ánh sáng của tia laze, nó bắt đầu rung động và quá trình này diễn ra nhanh chóng và không bị cản trở đến mức cơ học lượng tử phát huy tác dụng. Tính chất này từ lâu đã gây xôn xao khi mở ra một số khả năng công nghệ lượng tử.
Giờ đây, sự hợp tác giữa các lĩnh vực lượng tử khác nhau tại Viện đã chứng minh rằng trống cũng có thể đóng một vai trò quan trọng đối với mạng máy tính lượng tử trong tương lai. Giống như các nhà giả kim hiện đại, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một dạng “bộ nhớ lượng tử” mới bằng cách chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành rung động âm thanh.
Trong bài báo nghiên cứu vừa được xuất bản của họ, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng dữ liệu lượng tử từ máy tính lượng tử phát ra dưới dạng tín hiệu ánh sáng—ví dụ, thông qua loại cáp quang đã được sử dụng cho kết nối Internet tốc độ cao—có thể được lưu trữ dưới dạng rung động trong đánh trống rồi chuyển tiếp.
Các thí nghiệm trước đây đã chứng minh cho các nhà nghiên cứu rằng màng này có thể duy trì ở trạng thái lượng tử dễ vỡ. Trên cơ sở này, họ tin rằng trống sẽ có thể nhận và truyền dữ liệu lượng tử mà không bị “giải mã”, tức là mất trạng thái lượng tử khi máy tính lượng tử sẵn sàng.
“Điều này mở ra những triển vọng tuyệt vời cho một ngày mà máy tính lượng tử thực sự có thể làm được những gì chúng ta mong đợi. Bộ nhớ lượng tử có thể là nền tảng để gửi thông tin lượng tử qua khoảng cách. Vì vậy, những gì chúng tôi đã phát triển là một phần quan trọng trong nền tảng của Internet trong tương lai với tốc độ lượng tử và bảo mật lượng tử,” tiến sĩ Mads Bjerregaard Kristensen của Viện Niels Bohr, tác giả chính của bài báo nghiên cứu mới, cho biết.
Cực nhanh, cực an toàn
Khi truyền thông tin giữa hai máy tính lượng tử trong một khoảng cách xa – hoặc giữa nhiều máy tính trên mạng lượng tử – tín hiệu sẽ nhanh chóng bị nhiễu. Lượng nhiễu trong cáp quang tăng theo cấp số nhân khi cáp dài hơn. Cuối cùng, dữ liệu không thể được giải mã nữa.
Internet cổ điển và các mạng máy tính lớn khác giải quyết vấn đề nhiễu này bằng cách khuếch đại tín hiệu ở các trạm nhỏ dọc theo đường truyền. Nhưng để máy tính lượng tử áp dụng phương pháp tương tự, trước tiên chúng phải dịch dữ liệu sang hệ thống số nhị phân thông thường, chẳng hạn như hệ thống được sử dụng bởi máy tính thông thường.
Điều này sẽ không được. Làm như vậy sẽ làm chậm mạng và khiến mạng dễ bị tấn công mạng, vì khả năng bảo vệ dữ liệu cổ điển có hiệu quả trong tương lai máy tính lượng tử là rất thấp.
“Thay vào đó, chúng tôi hy vọng rằng trống lượng tử sẽ có thể đảm nhận nhiệm vụ này. Nó đã cho thấy nhiều hứa hẹn vì nó cực kỳ phù hợp để nhận và gửi lại tín hiệu từ máy tính lượng tử. Vì vậy, mục tiêu là mở rộng kết nối giữa các máy tính lượng tử thông qua các trạm nơi trống lượng tử nhận và truyền lại tín hiệu, đồng thời tránh nhiễu trong khi vẫn giữ dữ liệu ở trạng thái lượng tử,” Kristensen nói.
“Khi làm như vậy, tốc độ và lợi thế của máy tính lượng tử, chẳng hạn như liên quan đến một số phép tính phức tạp nhất định, sẽ mở rộng trên các mạng và Internet, vì chúng sẽ đạt được bằng cách khai thác các đặc tính như chồng chất và vướng víu vốn chỉ có ở trạng thái lượng tử.”
Nếu thành công, các trạm cũng sẽ có thể mở rộng các kết nối được bảo mật lượng tử mà mã lượng tử của chúng cũng có thể được kéo dài bằng trống. Những tín hiệu an toàn này có thể được gửi qua nhiều khoảng cách khác nhau – dù là xung quanh mạng lượng tử hay xuyên Đại Tây Dương – trong Internet lượng tử của tương lai.
Linh hoạt, thiết thực và có thể mang tính đột phá như RAM lượng tử
Nghiên cứu đang được tiến hành ở nơi khác để tìm một giải pháp thay thế trong đó nguồn sáng mang dữ liệu được hướng vào một hệ thống nguyên tử và tạm thời dịch chuyển các electron trong nguyên tử, nhưng phương pháp này có những hạn chế.
“Có những giới hạn đối với những gì bạn có thể làm với một hệ nguyên tử, vì chúng ta không thể thiết kế các nguyên tử hoặc tần số ánh sáng mà chúng có thể tương tác với chính chúng ta. Hệ thống cơ khí tương đối 'lớn' của chúng tôi mang lại sự linh hoạt hơn. Giáo sư Albert Schliesser, đồng tác giả của bài nghiên cứu, giải thích: “Chúng tôi có thể mày mò và điều chỉnh để nếu những khám phá mới thay đổi luật chơi thì rất có thể trống lượng tử có thể được điều chỉnh”.
Ông chỉ ra: “Dù tốt hay xấu, khả năng của chúng tôi với tư cách là nhà nghiên cứu hầu hết là yếu tố xác định giới hạn cho mức độ hoạt động của tất cả.
Trống là sản phẩm mới nhất và nghiêm túc nhất đối với bộ nhớ lượng tử cơ học vì nó kết hợp một số đặc tính: Trống có mức mất tín hiệu thấp—tức là cường độ tín hiệu dữ liệu được giữ lại tốt. Nó cũng có lợi thế to lớn là có thể xử lý tất cả các tần số ánh sáng, bao gồm cả tần số được sử dụng trong cáp quang sợi quang mà Internet hiện đại được xây dựng trên đó.
Trống lượng tử còn tiện lợi vì dữ liệu có thể được lưu trữ và đọc bất cứ khi nào cần. Và thời gian ghi nhớ dài kỷ lục 23 mili giây mà các nhà nghiên cứu đã đạt được khiến cho nhiều khả năng là công nghệ một ngày nào đó có thể trở thành khối xây dựng cho các hệ thống mạng lượng tử cũng như phần cứng trong máy tính lượng tử.
“Chúng tôi đã sớm kết thúc nghiên cứu này. Điện toán và truyền thông lượng tử vẫn đang ở giai đoạn phát triển ban đầu, nhưng với bộ nhớ chúng ta có được, người ta có thể suy đoán rằng một ngày nào đó trống lượng tử sẽ được sử dụng như một loại RAM lượng tử, một loại bộ nhớ làm việc tạm thời cho thông tin lượng tử. . Và đó sẽ là bước đột phá,” giáo sư nói.