Các chuyên gia châu Âu về công nghệ nano, quang điện tử học và vật lí lượng tử đã có một bước tiến bộ mới trong việc làm sản sinh, phát hiện và thao tác trên các photon độc thân trong các chất bán dẫn. Khám phá của họ đã mang những ứng dụng photon độc thân và máy tính lượng tử đến gần thực tế hơn.

“Các nguồn photon độc thân hiện nay không có ích cho lắm xét về mặt hiệu quả và chất lượng”, Johann Reithmaier, điều phối viên dự án QPHOTON, nói. “Chúng tôi đã bắt tay vào xử lí vấn đề này – nhằm cải thiện hiệu quả của việc sản sinh photon độc thân mà không cần bất kì phông nền photon nào khác”.

Bộ dụng cụ QPHOTON đã phát triển có thể cho phép nhiều ứng dụng bao gồm những mạch quang lượng tử tích hợp cao, công suất thấp; mật mã lượng tử và viễn tải lượng tử; và, cuối cùng, những lộ trình mới để hiện thực hóa những chiếc máy tính lượng tử cực mạnh.

Cột, hộp và chấm lượng tử

Một trong những mục tiêu then chốt của tập đoàn trên là cải thiện sự lắp ghép và điều khiển các chấm lượng tử gốc bán dẫn.

Chấm lượng tử là những cấu trúc kích cỡ nano có thể giam cầm các electron trong không gian ba chiều. Bằng cách thao tác trên kích thước, hình dạng và thành phần của các chấm, các nhà nghiên cứu có thể thu được sự điều khiển rất tinh vi trên những tính chất điện tử và quang học của chúng, thí dụ như kích hoạt chúng bằng phương pháp điện tử để làm phát ra các photon độc thân.

Cho đến nay, đa số các chấm lượng tử được nuôi lớn lên qua sự tự lắp ghép, để lại các chấm bị tán xạ ngẫu nhiên trong một dung dịch hoặc trên một bề mặt.

Các nhà nghiên cứu QPHOTON đã nghĩ ra một phương pháp nuôi chấm lượng tử đúng nơi họ muốn có chúng bằng cách trước tiên cho khắc những cái lỗ nhỏ trong một chất nền bán dẫn. Tuy nhiên, để cho các chấm có những tính chất chính xác mà đội nghiên cứu muốn có hóa ra là một thách thức lớn. “Lớp đầu tiên bị chết về phương diện quang học”, Reithmaier nói, “cho nên chúng ta cần có thêm thủ thuật để khắc phục trở ngại này”.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loạt bước lau sạch và lắng đọng cho phép họ nuôi những chấm thực hiện tốt chức năng nơi họ muốn có chúng, và, trong quá trình ấy, thu được một kỉ lục mới tính theo mật độ khoảng cách chấm lượng tử.

Tuy nhiên, quan trọng hơn, các nhà nghiên cứu đã có thể kết nối những chấm lượng tử đó với những cấu trúc nano khác để tăng cường và khai thác những tính chất của chúng. Họ đã tìm ra cách kết hợp những chấm cách nhau chính xác với những cột nhỏ thẳng đứng và những vi hộp sắp thẳng hàng ngang, cả hai đều phát ra các photon độc thân hiệu quả và xác thực hơn nhiều so với kì công trước.

Các cột trên phát ra ánh sáng vuông góc với bề mặt của chất bán dẫn. Chúng có thể dùng làm nguồn phát photon độc thân cường độ mạnh, cái có thể dùng chung với sợi quang trong truyền thông cự li dài.

Các vi hộp nằm ngang cực kì triển vọng là những bộ phận then chốt của những mạch tích hợp cao sẽ sử dụng photon thay cho electron để xử lí thông tin. Các nhà nghiên cứu còn phát triển một cấu hình quang lượng tử thẳng đứng cải tiến trích từng photon độc thân ra khỏi những mạch điện này với hiệu suất hơn 80%.

Một cải tiến quan trọng nữa là sự phát triển “các dây quang lượng tử” – những cấu trúc thẳng lắp ráp chính xác tiên tiến hơn hai lần tính theo hiệu quả truyền photon độc thân. “Việc đẩy hiệu suất ghép cặp lên khoảng 85% là một đột phá quan trọng đối với những bộ phát photon độc thân”, Reithmaier nói.

Tiến bộ này đặc biệt triển vọng đối với sự phân phối an toàn các khóa lượng tử, cho phép sự truyền dữ liệu cực kì an toàn. Chỉ bằng cách gởi đi một photon tại một thời điểm thì thông tin mới có thể truyền đi mà không chịu sự rủi ro bị xâm hại dọc đường.

Làm chậm ánh sáng đến mức ‘rùa bò’

Trong 10 năm qua, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã khảo sát kĩ lưỡng lĩnh vực làm chậm ánh sáng. Nhiều cấu trúc nano đa dạng được tìm thấy có khả năng làm chậm ánh sáng một cách hết sức kịch tính. Các kĩ sư hi vọng sử dụng hiệu ứng này để chế tạo ra các bộ nhớ, bộ đệm và bộ chuyển mạch cho các máy tính quang công suất cao, hiệu quả năng lượng.

Các nhà nghiên cứu QPHOTON trước tiên đã chứng minh một hiệu ứng làm chậm ánh sáng cực mạnh trong một chất liệu chấm lượng tử bán dẫn.

Đa số những nghiên cứu làm chậm ánh sáng trước đây sử dụng những môi trường – chất khí chẳng hạn – không hữu ích trong những chiếc máy tính thật sự. Cho nên, việc chứng tỏ rằng các ma trận chấm lượng tử có thể làm chậm ánh sáng trong một chất bán dẫn có tiềm năng rất quan trọng đối với điện toán quang học.

Reithmaier cảnh báo rằng khả năng làm chậm ánh sáng mang đủ thông tin ủng hộ cho sự xử lí dữ liệu quang học cho đến nay vẫn chưa được chứng minh, và có lẽ hóa ra là không thể thực hiện. Tuy nhiên, các kết quả của dự án QPHOTON sẽ được khai thác trong một dự án mới do EU tài trợ nhắm tới việc khảo sát chi tiết hơn tiềm năng của ánh sáng bị làm chậm.

Reithmaier tin rằng những phát triển mà họ vừa thực hiện đối với việc điều khiển sự phát xạ, thao tác, và thu nhận các photon độc thân đã mang các máy tính lượng tử thực tiễn đến gần hơn nhiều.

“Thách thức chủ yếu là di chuyển thông tin lượng tử từ một nơi này sang nơi khác, và một cách tiếp cận quan trọng là các photon độc thân”, ông nói. “Vì thế, bạn cần phải điều khiển trọn vẹn được các photon, và đó là nơi chúng ta thật sự đẩy rộng giới hạn của công nghệ”.

Thông tin thêm về dự án QPHOTON -- http://www.ina.uni-kassel.de/qphoton

Theo PhysOrg.Com