Buzz
Các nhà nghiên cứu Trung Quốc vừa chế tạo thành công một nguồn phát cặp photon có độ tinh khiết rất cao dựa trên chấm lượng tử bán dẫn. Thiết bị này vận hành như một “nhà máy photon đôi” thu nhỏ, đạt hiệu suất vượt trội trong các hệ vật liệu trạng thái rắn và được kỳ vọng sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của mạng lượng tử trong tương lai.
Trong cuộc cạnh tranh phát triển công nghệ lượng tử toàn cầu, khả năng kiểm soát từng hạt ánh sáng ở cấp độ cơ bản đang trở thành mục tiêu then chốt. Photon — các lượng tử của ánh sáng — không chỉ đóng vai trò truyền tải thông tin mà còn là nền tảng cốt lõi của nhiều hệ thống điện toán và truyền thông lượng tử hiện đại.
Trong hơn mười năm qua, giới khoa học đã đạt được nhiều bước tiến trong việc tạo ra các nguồn phát photon đơn theo yêu cầu. Những thiết bị này giữ vai trò thiết yếu trong các hệ thống điện toán lượng tử cũng như các phương thức truyền thông bảo mật. Dẫu vậy, việc tạo ra hai photon xuất hiện đồng thời với độ chính xác và độ tin cậy cao vẫn là một thách thức đáng kể.
Mới đây, một nhóm nhà khoa học Trung Quốc đã đạt thêm bước tiến quan trọng khi phát triển thiết bị chấm lượng tử có khả năng phát ra các cặp photon với độ tinh khiết rất cao. Trong thí nghiệm, ánh sáng phát ra từ thiết bị cho thấy tới 98,3% photon xuất hiện theo từng cặp, thuộc nhóm kết quả cao nhất từng được ghi nhận trong các hệ vật liệu trạng thái rắn.
Theo Yuan Zhiliang, nhà khoa học trưởng tại Viện Khoa học Thông tin Lượng tử Bắc Kinh, các cặp photon có thể tồn tại trong trạng thái rối lượng tử, tức là chúng vẫn giữ sự đồng bộ về thời gian và năng lượng dù bị tách ra ở khoảng cách xa. Đặc điểm này khiến photon đôi trở thành công cụ đặc biệt hữu ích trong nhiều lĩnh vực, từ đo lường độ chính xác cao, cảm biến lượng tử cho tới các công nghệ chụp ảnh tiên tiến.
Bên cạnh đó, các hệ photon đôi còn được xem là nền tảng quan trọng cho các mạng truyền thông lượng tử có mức bảo mật cực cao, nơi thông tin được mã hóa bằng trạng thái lượng tử — một cơ chế không thể bị sao chép hay nghe lén theo phương thức truyền thống.
Trước đây, phần lớn các nguồn photon đôi được tạo ra nhờ các tinh thể phi tuyến. Trong những hệ này, một photon laser có năng lượng cao có thể bị tách thành hai photon mang năng lượng thấp hơn. Tuy vậy, quá trình này mang bản chất xác suất: đôi khi hệ chỉ sinh ra một cặp photon, nhưng cũng có lúc tạo ra nhiều cặp cùng lúc. Sự ngẫu nhiên đó gây nhiễu và làm suy giảm hiệu quả hoạt động của các hệ thống quang tử lượng tử.
Để khắc phục hạn chế trên, các nhà khoa học bắt đầu chuyển hướng sang sử dụng chấm lượng tử bán dẫn. Những cấu trúc nano này thường được ví như các “nguyên tử nhân tạo”, bởi chúng có khả năng giữ và điều khiển electron ở những mức năng lượng xác định.
Khi được kích thích bởi ánh sáng, các electron trong chấm lượng tử có thể rơi xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon. Về mặt lý thuyết, nếu hai electron đồng thời được kích thích, chúng có thể lần lượt tái hợp và phát ra hai photon kế tiếp thông qua cơ chế được gọi là chuỗi song kích tử - kích tử.
Tuy nhiên trên thực tế, electron đầu tiên thường phát photon gần như ngay lập tức, khiến hệ không kịp hình thành trạng thái hai electron cần thiết để tạo ra cặp photon. Điều này làm cho việc tạo photon đôi từ một chấm lượng tử đơn lẻ trở thành nhiệm vụ đặc biệt khó khăn.
Nhóm nghiên cứu đã vượt qua trở ngại này bằng cách đặt chấm lượng tử bên trong một vi cộng hưởng quang học có kích thước cực nhỏ. Cấu trúc này giúp giữ lại và khuếch đại quá trình phát xạ ánh sáng thông qua hiệu ứng Purcell, từ đó làm tăng đáng kể tốc độ phát photon.
Bước đột phá quan trọng nằm ở việc điều khiển chấm lượng tử bước vào một trạng thái đặc biệt gọi là kích tử tối. Trong trạng thái này, electron sau khi bị kích thích không phát photon ngay lập tức mà tồn tại đủ lâu để một electron thứ hai cũng được kích thích.
Các nhà khoa học đã sử dụng các xung laser được tinh chỉnh chính xác kết hợp với kỹ thuật kích thích p-shell chọn lọc theo phân cực để đưa electron vào trạng thái tối. Khi hai electron đồng thời tồn tại trong chấm lượng tử, chúng hình thành trạng thái song kích tử và nhanh chóng suy giảm theo chuỗi hai bước, phát ra hai photon liên tiếp.
Sự xuất hiện của vi cộng hưởng quang học còn đóng vai trò khuếch đại quá trình phát xạ photon, từ đó tăng cường mối liên kết giữa hai photon được tạo ra.
Kết quả thí nghiệm cho thấy hệ thống đạt hiệu suất tạo cặp photon ở mức 29,9% và giá trị tương quan g²(0) khoảng 3,97, phản ánh tín hiệu photon đôi rất rõ rệt. Đáng chú ý, tới 98,3% photon thu được xuất hiện dưới dạng từng cặp, cho thấy thiết bị vận hành giống như một “nhà máy” sản xuất photon đôi thu nhỏ.
Dù vậy, công nghệ này vẫn chưa thể ứng dụng ngay trong thực tế. Hiện tại thiết bị chỉ vận hành ổn định ở nhiệt độ cực thấp, dưới 10 Kelvin, tương đương môi trường gần với heli lỏng. Việc duy trì điều kiện nhiệt độ như vậy đòi hỏi hệ thống làm lạnh phức tạp và chi phí cao.
Trong tương lai, các nhà nghiên cứu kỳ vọng có thể nâng nhiệt độ hoạt động của thiết bị lên gần mức nitơ lỏng, tức khoảng trên 77 Kelvin. Nếu mục tiêu này đạt được, việc triển khai các nguồn photon đôi trong mạng lượng tử cũng như các hệ thống cảm biến tiên tiến sẽ trở nên khả thi và tiết kiệm chi phí hơn.
Công trình nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Materials và được đánh giá là một bước tiến đáng kể trên con đường phát triển các nguồn photon đôi theo yêu cầu cho kỷ nguyên công nghệ lượng tử.
