Trung Quốc phá nút thắt công nghệ lượng tử, tăng số kênh dò photon lên hơn 3 lần

Các thiết bị dò photon đơn tiên tiến nhất trước đây chỉ có thể hỗ trợ tối đa 32 kênh phát hiện tín hiệu photon. Ảnh: Shutterstock.

Các nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển bộ dò photon đơn có khả năng hỗ trợ hơn 100 kênh phát hiện tín hiệu, vượt xa giới hạn khoảng 32 kênh của các hệ thống trước đây. Đột phá này được kỳ vọng tạo nền tảng cho việc mở rộng mạng lượng tử băng rộng và các ứng dụng công nghệ lượng tử quy mô lớn.

Các bộ dò photon đơn tiên tiến nhất hiện nay – thành phần thiết yếu trong các công nghệ lượng tử quang tử – trước đây chỉ có thể hỗ trợ tối đa 32 kênh phát hiện tín hiệu photon.

Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu tại Thượng Hải đã phá vỡ giới hạn này bằng sơ đồ kết nối mới, cho phép hệ thống hỗ trợ hơn 100 kênh phát hiện trong khi vẫn duy trì độ chính xác và hoạt động ổn định.

“Công trình này thiết lập một hạ tầng vững chắc, có khả năng mở rộng, mở đường cho các ứng dụng quang tử lượng tử quy mô lớn”, nhóm tác giả cho biết trong bài báo khoa học.

Thành tựu do các nhà nghiên cứu tại Viện Vi hệ thống và Công nghệ thông tin Thượng Hải (SIMIT), thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, thực hiện. Kết quả nghiên cứu được công bố vào cuối tháng 9 trên Tạp chí Laser và Quang tử, một tạp chí khoa học bình duyệt.

Những tiến bộ trong công nghệ lượng tử quang tử đang thúc đẩy quá trình chuyển đổi từ các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm sang ứng dụng thực tế, trong các lĩnh vực như máy tính lượng tử, truyền thông và đo lường chính xác.

Để mở rộng quy mô các hệ thống này, giới nghiên cứu cần gấp những giải pháp phát hiện photon đơn song song với số lượng kênh lớn.

Bộ dò photon đơn siêu dẫn: Công nghệ tiên tiến nhưng khó mở rộng

Theo bài báo, bộ dò photon đơn dây nano siêu dẫn là một trong những công nghệ tiên tiến nhất hiện nay. Thiết bị sử dụng độ nhạy đặc biệt cao của vật liệu siêu dẫn để phát hiện từng photon riêng lẻ, với hiệu suất phát hiện có thể tiến gần 100%.

Nhờ hiệu suất phát hiện cao, tốc độ phản hồi nhanh và khả năng phân giải thời gian tốt, các thiết bị này được sử dụng rộng rãi trong công nghệ lượng tử quang tử, hệ thống phát hiện và đo khoảng cách bằng ánh sáng (LiDAR), cũng như công nghệ chụp ảnh photon đơn.

Tuy nhiên, việc mở rộng quy mô các hệ thống này từ lâu đã là một bài toán kỹ thuật khó giải.

Một trong những thách thức lớn nhất nằm ở nhiệt độ vận hành. Các bộ dò phải làm lạnh một lớp màng dây nano siêu dẫn cực mỏng xuống môi trường nhiệt độ đông lạnh sâu, tiến gần độ không tuyệt đối. Sau đó, cáp kết nối được sử dụng để truyền tín hiệu phát hiện từ môi trường nhiệt độ cực thấp ra bên ngoài, nơi thiết bị điện tử hoạt động ở nhiệt độ phòng.

Các hệ thống truyền thống thường sử dụng cáp đồng trục tương đối dày, làm từ kim loại có khả năng dẫn nhiệt cao. Nhiệt từ đầu cáp ở nhiệt độ phòng liên tục truyền dọc theo dây vào buồng đông lạnh sâu. Hiện tượng này được gọi là tải nhiệt.

Số lượng kênh phát hiện càng tăng, vấn đề càng trở nên nghiêm trọng. Mỗi kênh là một đường truyền thông tin độc lập, chuyên biệt để tiếp nhận, xử lý và xuất tín hiệu photon. Khi hệ thống cần hàng chục hoặc hàng trăm kênh, bó cáp kết nối khổng lồ sẽ đưa một lượng nhiệt đáng kể vào môi trường đông lạnh.

Điều này khiến hệ thống cồng kềnh hơn, đồng thời làm tăng mạnh mức tiêu thụ năng lượng cho việc làm lạnh. Vì vậy, các cấu hình tiêu chuẩn trước đây thường chỉ hỗ trợ khoảng 32 kênh phát hiện.

Thiết kế cáp mới giúp giảm tải nhiệt xuống còn 1/21

Để giải quyết nút thắt, nhóm nghiên cứu Thượng Hải đã thiết kế lại toàn diện cấu trúc kết nối. Họ phát triển loại vật liệu linh hoạt chuyên dụng, siêu mỏng, được gọi là “đường vi dải đa lõi mật độ cao”.

Theo nhóm nghiên cứu, vật liệu và cấu trúc mới có khả năng cách nhiệt cao. Lượng nhiệt rò rỉ vào hệ thống chỉ bằng khoảng 1/21 so với lượng nhiệt do các loại cáp dày truyền thống đưa vào.

Bên cạnh việc giảm tải nhiệt, nhóm nghiên cứu còn triển khai một loạt cải tiến về kiến trúc hệ thống nhằm bảo đảm thiết kế song song quy mô lớn vẫn ổn định và có kích thước gọn hơn.

Nhờ đó, trong điều kiện công suất làm lạnh thông thường, hệ thống có thể hỗ trợ hơn 100 kênh phát hiện độc lập mà vẫn duy trì hoạt động ổn định trong thời gian dài.

Trong thử nghiệm liên tục kéo dài 7 ngày, nền tảng làm lạnh sâu giữ được nhiệt độ ổn định dưới 2,1 kelvin (K). Đây là mức nhiệt cực thấp, rất gần độ không tuyệt đối – giới hạn nhiệt độ lý tưởng bằng 0 K, tương đương âm 273,15 độ C.

Kết quả kiểm tra cũng cho thấy tất cả các kênh đều đạt hiệu suất phát hiện ở cấp độ hệ thống trên 80%, đồng thời duy trì tỷ lệ cảnh báo giả tín hiệu ở mức rất thấp.

Thử nghiệm mạng lượng tử kết nối 5 người dùng

Để chứng minh khả năng hoạt động trong các tình huống thực tế, nhóm nghiên cứu đã xây dựng một mạng phân phối rối lượng tử kết nối đầy đủ giữa 5 người dùng.

Cấu hình này tạo ra 10 liên kết lượng tử hai chiều giữa các cặp người dùng. Mỗi người dùng nhận các photon rối thông qua những kênh phát hiện mới được phát triển.

Kết quả thử nghiệm cho thấy độ trung thực truyền thông – thước đo mức độ một kênh lượng tử bảo toàn thông tin được truyền qua – vượt 90% trên cả 10 liên kết.

Kết quả này cho thấy thiết kế mới không chỉ giúp tăng số lượng kênh phát hiện photon đơn mà còn có thể hỗ trợ việc xây dựng các mạng lượng tử kết nối nhiều người dùng, một bước quan trọng hướng tới triển khai những hệ thống truyền thông lượng tử quy mô lớn hơn.