Một thách thức lâu dài trong vật lý lượng tử cuối cùng đã có lời giải thực tiễn. Nhóm nghiên cứu tại Nhật Bản vừa phát triển cách xác định trạng thái lượng tử phức tạp chỉ trong một bước, loại bỏ một trong những nút thắt lớn nhất trong việc xây dựng công nghệ lượng tử thực tế.

Tiến bộ này tập trung vào một dạng rối lượng tử đặc biệt gọi là trạng thái W. Khác với nhiều trạng thái quen thuộc khác, trạng thái W có độ bền cao: ngay cả khi một hạt bị mất, các hạt còn lại vẫn duy trì sự rối. Điều này khiến chúng trở thành ứng viên lý tưởng cho các hệ thống truyền thông lượng tử, nơi việc mất mát tín hiệu là không thể tránh khỏi.

Dù có nhiều ưu điểm, trạng thái W lại rất khó đo. Các phương pháp truyền thống dựa vào chụp cắt lớp lượng tử (quantum tomography), đòi hỏi vô số phép đo lặp lại. Khi số photon tăng lên, khối lượng công việc tăng theo cấp số nhân, khiến quá trình trở nên chậm và thiếu thực tiễn.

Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng về lý thuyết, có thể dùng phép đo rối để xác định trạng thái chỉ trong một lần. Phương pháp này đã được chứng minh với các hệ đơn giản và trạng thái GHZ, nhưng chưa ai áp dụng thành công cho trạng thái W — cho đến nay.

“Sau hơn 25 năm kể từ đề xuất ban đầu về phép đo rối cho trạng thái GHZ, chúng tôi cuối cùng đã đạt được phép đo rối cho trạng thái W, với minh chứng thực nghiệm cho trạng thái W ba photon,” tác giả Shigeki Takeuchi cho biết.

Thay vì giải quyết trực diện, nhóm nghiên cứu tập trung vào một đặc tính ẩn gọi là đối xứng dịch vòng (cyclic shift symmetry). Tính chất này cho phép trạng thái W giữ nguyên khi vị trí các photon được xoay vòng. Bằng cách thiết kế hệ quang học phát hiện đối xứng này, họ đã tìm ra cách nhận diện trực tiếp trạng thái.

Thiết bị sử dụng các photon được chuẩn bị kỹ lưỡng, đưa qua mạng lưới linh kiện quang học thực hiện phép biến đổi Fourier. Cách photon thoát ra khỏi hệ thống cho biết trạng thái W nào đang hiện diện, loại bỏ nhu cầu thu thập dữ liệu khổng lồ.

Để kiểm chứng, nhóm đã xây dựng hệ ba photon ổn định, có thể vận hành lâu dài mà không cần điều chỉnh. Hệ thống đã phân biệt thành công các trạng thái W khác nhau, xác nhận tính khả thi của phương pháp.

Đột phá này mở ra cánh cửa cho các ứng dụng như dịch chuyển tức thời lượng tử, truyền thông bảo mật hơn và các dạng máy tính lượng tử phân tán mới. Bằng cách làm cho việc đo rối trở nên dễ dàng hơn, phương pháp này cũng có thể giúp xây dựng các mạng lượng tử đáng tin cậy và có khả năng mở rộng.

Bước tiếp theo là mở rộng kỹ thuật cho hệ lớn hơn và tích hợp vào chip quang tử nhỏ gọn. Nếu thành công, công nghệ lượng tử có thể thoát khỏi phòng thí nghiệm và tiến vào đời sống hàng ngày.