“Tăng cường phát xạ photon đơn lẻ” được xem là bước tiến hướng tới công nghệ lượng tử

Kim cương nano đã được thêm vào bề mặt của “siêu vật liệu hyperbolic” mới để tăng cường việc sản xuất ra các photon đơn lẻ, một bước tiến hướng tới việc chế tạo các thiết bị nhằm phát triển máy tính lượng tử và các công nghệ truyền thông.

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh một phương pháp mới để tăng cường sự phát xạ của các photon đơn lẻ bằng cách sử dụng “siêu vật liệu hyperbolic”, một bước tiến hướng tới việc tạo ra các thiết bị nhằm phát triển máy tính lượng tử và các công nghệ truyền thông.

Siêu vật liệu quang học khai thác các đám mây điện tử được gọi là plasmon bề mặt để thao tác và kiểm soát ánh sáng. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Purdue trước đây đã tạo ra các “siêu mạng” từ các lớp nitrit titan kim loại và chất điện môi, hay chất cách điện, nitrit scanđi nhôm. Không giống như một số thành phần plasmon đang được phát triển, dựa vào việc sử dụng các kim loại quý như vàng và bạc, siêu vật liệu mới tương thích với quy trình chế tạo chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung được sử dụng để chế tạo mạch tích hợp.

Siêu vật liệu này được gọi là hyperbolic, có nghĩa là nó có các tính chất độc đáo làm tăng công suất ánh sáng. Trong phát hiện mới này, các nhà nghiên cứu đã chứng minh bằng cách gắn các kim cương nano chứa các “trung tâm trống nitơ” (nitrogen-vacancy centers) vào siêu vật liệu mới để tăng cường hơn nữa việc sản xuất ra các photon đơn lẻ, phần chủ lực của xử lý thông tin lượng tử, có thể đưa đến các siêu máy tính, mật mã và công nghệ truyền thông tiên tiến.

“Những kết quả này cho thấy độ sáng của nguồn phát xạ photon đơn lẻ dựa vào kim cương nano  có thể được tăng cường đáng kể bằng cách đặt một nguồn phát xạ như vậy trên bề mặt của siêu vật liệu hyperbolic”, Alexander Kildishev, Phó Giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Purdue cho biết. “Bộ phát xạ đơn photon này có thể được sử dụng để chế tạo các nguồn photon đơn lẻ tương thích CMOS ở nhiệt độ phòng với hiệu suất cao”.

Kết quả nghiên cứu được trình bày chi tiết trong một bài báo xuất hiện trên trang bìa tạp chí Laser & Photonics, số ra ngày 15 tháng 1. Công trình nghiên cứu này là sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu từ Đại học Purdue, Trung tâm Quantum Nga, Viện Vật lý và Công nghệ Moscow, Viện Vật lý Lebedev và Công ty Công nghệ Nano-Kim loại quang tử.

Một trung tâm trống nitơ là một khiếm khuyết cấp nguyên tử được hình thành trong mạng tinh thể kim cương bằng cách thay thế một nguyên tử nitơ bằng một nguyên tử cacbon và tạo ra một khoảng trống lân cận trong mạng. Đặt một hạt kim cương nano chứa một trung tâm trống nitơ trên bề mặt của siêu vật liệu hyperbolic không chỉ giúp tăng cường sự phát xạ photon, mà còn làm thay đổi mô hình phát xạ ánh sáng, một đặc điểm có thể là quan trọng đối với việc phát triển các thiết bị lượng tử, nghiên cứu sinh Mikhail Y. Shalaginov, tác giả chính của bài báo, cho biết.

Do hệ thống nghiên cứu là một nguồn ổn định các photon đơn lẻ hoạt động ở nhiệt độ phòng nên nó có tiềm năng thực tế cho các ứng dụng thương mại. Khi tiếp xúc với ánh sáng laser, hệ thống tăng từ “trạng thái cơ bản” lên một trạng thái kích thích, làm cho nó phát xạ tự phát một photon.

“Chúng tôi rất quan tâm đến việc làm cho hệ thống phát xạ nhanh hơn, do đó chúng tôi có thể tăng tốc độ của những photon được phát ra”, Kildishev nói.

Các kết quả cho thấy hệ thống này có khả năng sản xuất các photon đơn lẻ nhanh hơn, với số lượng lớn hơn và định hướng hơn.

Siêu vật liệu có các bề mặt được thiết kế với các tính chất, kiểu mẫu hay các yếu tố, chẳng hạn như các ăng-ten cực nhỏ hay xen kẽ các lớp nitrit cho phép kiểm soát ánh sáng chưa từng có. Tạo ra các nguyên tử và phân tử nhân tạo, các siêu vật liệu quang học có tiềm năng khác thường trong việc thiết kế chính xác ở quy mô nanomet.

Máy tính lượng tử sẽ tận dụng lợi thế của các hiện tượng được lý thuyết lượng tử mô tả là “chồng chập” và “vướng víu”. Thay vì chỉ có các trạng thái 1 và 0 tồn tại trong các máy tính thông thường, có rất nhiều “trạng thái chồng chập lượng tử”. Máy tính dựa trên vật lý lượng tử sẽ có các bit lượng tử, hay “qubit”, nâng công suất xử lý, lưu trữ và truyền tải thông tin của máy tính. Trống nitơ cũng đưa đến việc có thể ghi lại thông tin dựa trên trạng thái “spin” hạt nhân hay điện tử của trung tâm này, hứa hẹn cho điện toán lượng tử. Spin này có thể “lên” hay “xuống” - tạo thành chồng chập lượng tử của các trạng thái lên và xuống - đưa đến một công nghệ xử lý thông tin mới.

Nghiên cứu trong tương lai có thể bao gồm việc cải thiện hệ thống với các thiết bị kết hợp siêu vật liệu hyperbolic với ăng-ten nano và ống dẫn sóng quang học để tăng hiệu suất của hệ thống và làm cho nó nhỏ gọn hơn. Công trình nghiên cứu đang được thực hiện đang cố gắng để có thể cải thiện “tính chất spin” của hệ thống với các trung tâm trống nitơ và để nghiên cứu sự tương phản quang học giữa các trạng thái lên và xuống.

Theo Vista.gov.vn