Hai bước tiến giúp mạng lượng tử tiến gần khả năng mở rộng

Điểm khác biệt này rất quan trọng. Một bộ cộng hưởng có thể làm tốc độ phân rã của bộ phát tăng mạnh khi tần số cộng hưởng được khớp chính xác; các nghiên cứu trước đây về erbium nano-quang học từng ghi nhận hiệu ứng Purcell rất lớn trong cấu trúc hốc. Chiến lược dùng ống dẫn sóng lại ưu tiên loại bỏ các kênh rò rỉ và hoạt động trên một cấu trúc quang có dải rộng hơn. Nhóm nghiên cứu cũng phân giải và điều khiển riêng từng tâm trong số hàng chục chất pha tạp erbium — một dấu hiệu cho thấy hình học ống dẫn sóng kéo dài có thể phù hợp với việc ghép kênh hơn so với một bộ cộng hưởng có thể tích rất nhỏ.

So với bộ cộng hưởng hẹp, phương pháp này thay đổi điều gì?

• Lựa chọn photon: Cả hai phương pháp đều có thể ưu tiên photon hữu ích. Ống dẫn sóng thực hiện điều đó bằng cách kìm hãm các chuyển tiếp không mong muốn, còn bộ cộng hưởng khuếch đại chuyển tiếp khớp với tần số cộng hưởng.
• Tốc độ phát: Hiệu ứng Purcell trong hốc cộng hưởng có thể rút ngắn thời gian sống của bộ phát, qua đó tăng tốc độ lặp lại khả dĩ. Phương pháp của Munich không được giới thiệu như một cơ chế tăng tốc; ưu điểm chính là phân bổ phát xạ sạch hơn và dễ kiểm soát hơn, thay vì buộc bộ phát phát sáng nhanh hơn.
• Khả năng điều khiển: Hiệu suất của bộ cộng hưởng phụ thuộc mạnh vào việc khớp tần số giữa bộ phát và hốc. Ngược lại, vùng cấm được thiết kế có thể triệt tiêu các kênh không mong muốn mà không đòi hỏi từng bộ phát phải khớp riêng với một cộng hưởng hẹp.
• Băng thông: Ống dẫn sóng được thiết kế để vừa triệt tiêu vừa thu nhận ánh sáng trên một dải tần, thay vì chỉ hoạt động quanh một vạch cộng hưởng hẹp. Nhờ đó, các bộ phát có tần số khác nhau có thể được phân giải, điều khiển riêng và lựa chọn chuyển tiếp đầu ra phù hợp trong dải hoạt động của thiết bị.
• Khả năng mở rộng: Việc phân giải và điều khiển riêng hàng chục tâm erbium, cùng với thể tích mode kéo dài của ống dẫn sóng, cho thấy tiềm năng xây dựng các thiết bị cách xa nhau hơn về mặt không gian và vẫn có thể điều khiển độc lập. Đây là bằng chứng về tiềm năng mở rộng, chưa phải một kiến trúc mạng hoàn chỉnh.

Erbium đặc biệt đáng chú ý vì phát sáng gần dải viễn thông. Các ion erbium đơn lẻ từng được chứng minh có thể phát photon ở khoảng 1,5 micromet — bước sóng tương thích với truyền dẫn suy hao thấp qua sợi quang. Về nguyên tắc, các giao diện erbium dựa trên ống dẫn sóng có thể cung cấp nhiều nút hoặc kênh tương thích với mạng viễn thông cho các liên kết lượng tử qua sợi quang trong tương lai. Tuy nhiên, kết quả hiện tại mới là một tiến bộ ở cấp độ linh kiện, chưa phải trình diễn truyền thông lượng tử đường dài.

Bước tiến tại Đài Loan: mô hình hóa tương quan photon–bộ nhớ theo DLCZ

Phát triển thứ hai xử lý một thách thức khác: dự đoán cách nguồn photon và bộ nhớ lượng tử hoạt động cùng nhau theo thời gian. Trong một quá trình Raman kiểu DLCZ, xung “ghi” có thể tạo ra một photon Stokes đồng thời với một kích thích nguyên tử tập thể, thường gọi là spin-wave. Sau đó, xung “đọc” chuyển kích thích được lưu trữ này thành một photon anti-Stokes. Mối liên hệ giữa spin-wave và photon là nền tảng của việc lưu trữ có báo hiệu và vận hành bộ nhớ lượng tử đa mode.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Thành Công và Đại học Quốc gia Thanh Hoa đã xây dựng một lý thuyết hệ mở có tính đến sự lan truyền của trường trong quá trình này. Khung lý thuyết kết hợp phương trình Heisenberg–Langevin để mô tả nhiễu lượng tử và động lực học nguyên tử với phương trình Maxwell–Schrödinger mô tả sự lan truyền của trường quang. Mô hình cũng tính đến sự tái phân bố quần thể do xung ghi gây ra, cho phép mô tả hành vi biến đổi theo thời gian thay vì chỉ xét trạng thái lý tưởng ổn định.

Mô hình dự đoán đồng thời cấu hình phát photon Stokes, sự hình thành và tiến hóa của spin-wave, dạng xung anti-Stokes được thu hồi, cùng tương quan chéo Stokes–anti-Stokes theo thời gian. Nhờ đó, các nhà nghiên cứu có thể liên hệ trực tiếp hình dạng xung và hiệu ứng lan truyền với chất lượng của cặp photon–bộ nhớ được tạo ra.

Quy luật tỷ lệ được kiểm chứng bằng thực nghiệm

Các phép đo được báo cáo xác nhận một nguyên tắc vận hành quan trọng: số sự kiện trùng tương quan thật tăng gần tuyến tính theo số kích thích spin-wave trung bình, trong khi số sự kiện trùng ngẫu nhiên tăng gần bậc hai. Vì vậy, tương quan chéo chuẩn hóa của cặp photon mạnh hơn khi giảm số kích thích spin-wave trung bình. Các phép thử cũng ghi nhận tương quan mạnh hơn khi sử dụng xung ghi ngắn hơn.

Hệ quả thực tế là sự đánh đổi giữa tốc độ và chất lượng. Tăng mức kích thích có thể tạo ra nhiều sự kiện hơn, nhưng xác suất xuất hiện nhiều kích thích đồng thời và các lần phát hiện ngẫu nhiên cũng tăng nhanh hơn. Mô hình mới có thể giúp người thiết kế lựa chọn thời lượng và cường độ xung ghi–đọc, thời điểm thu hồi và cửa sổ phát hiện để cân bằng tốc độ tạo cặp có báo hiệu với mức nền.

Vì khung lý thuyết còn mô tả hình dạng theo thời gian của trường anti-Stokes được thu hồi, nó có thể hỗ trợ ghép mode thời gian giữa các bộ nhớ và các nút mạng ở xa. Những nghiên cứu DLCZ trước đây đã chứng minh khả năng lưu trữ đa mode và đọc chọn lọc trong các hệ vật lý khác nhau, khiến việc kiểm soát thời gian trở thành một thành phần quan trọng của mạng lượng tử ghép kênh.

Vì sao hai kết quả này quan trọng khi đặt cạnh nhau?

Công trình tại Munich là một chiến lược phần cứng nhằm tạo ra các giao diện photon trong dải viễn thông sạch hơn và dễ ghép kênh hơn. Công trình tại Đài Loan là một chiến lược mô hình hóa và điều khiển, giúp các tương quan photon–bộ nhớ trở nên dễ dự đoán theo thời gian. Hai nghiên cứu không thuộc cùng một thí nghiệm, và không nghiên cứu nào tự nó chứng minh được một bộ lặp lượng tử hay mạng lượng tử đường dài hoàn chỉnh.

Tuy vậy, chúng bổ trợ cho nhau ở những yêu cầu cốt lõi: các bộ phát có thể mở rộng phải đưa photon vào những kênh quang sử dụng được, còn bộ nhớ lượng tử phải tạo và thu hồi các photon tương quan với đặc tính thời gian và nhiễu mà giao thức mạng có thể khai thác. Nghiên cứu DLCZ của nhóm Đài Loan hiện được công bố dưới dạng bản in trước trên arXiv, vì vậy các kết luận thực nghiệm vẫn nên được xem là kết quả trước bình duyệt độc lập.

Bài học rộng hơn là tiến bộ của mạng lượng tử phụ thuộc vào việc thiết kế toàn bộ giao diện ánh sáng–vật chất, chứ không chỉ tối đa hóa lượng photon phát ra. Việc loại bỏ các tần số không mong muốn và dự đoán chính xác tương quan theo thời gian có thể giúp những nút kết nối qua sợi quang trong tương lai dễ ghép kênh, điều chỉnh và tích hợp hơn.