Tích hợp nguồn ánh sáng lượng tử bằng sợi nano cho các ứng dụng mạng internet lượng tử

Kohzo Hakuta, giám đốc Trung tâm Sáng tạo Quang tử tại Đại học Thông tin-Điện tử (Nhật Bản) cho biết ý tưởng về ‘quang tử lượng tử sợi nano’ của ông đã có từ 14 năm trước và ông muốn tích hợp các nguồn ánh sáng lượng tử như chấm lượng tử đơn/ nguyên tử đơn, thành các sợi nano được thiết kế đặc biệt. ‘Công nghệ sợi quang nội tuyến’(fiber in-line technology) này được xem là có khả năng cách mạng hóa mạng lưới lượng tử phân tán về liên lạc tốc độ siêu cao, an toàn. Cụ thể là sự ra đời của ‘mạng internet lượng tử’.

Công nghệ sợi quang nội tuyến có nhiều lợi thế cho việc tích hợp các nguồn ánh sáng lượng tử vào mạng lưới thông tin bằng sợi quang thông thường.

Hiện tại, Hakuta và nhóm nghiên cứu của ông tại Trung tâm Sáng tạo Quang tử đang nhắm tới các lĩnh vực nhằm phát triển công nghệ sợi quang nội tuyến để tích hợp các nguồn ánh sáng lượng tử thành các sợi nano quang học như sau: Chế tạo các sợi nano thủy tinh thon (tapered glass nanofibers) có hiệu quả cao; phát triển các phương pháp tái sinh cho tích hợp các chấm lượng tử bằng sợi nano; tích hợp các cấu trúc hốc (cavity structures) bằng các sợi nano; và chứng minh thực nghiệm các hốc điện động học lượng tử (cavity quantum electrodynamics - QED) bằng các sợi nano. Công trình nghiên cứu này được thực hiện bởi nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đến từ các nước Ấn Độ, Việt Nam, Trung Quốc và Niu Di-lân.

Hakuta cho biết họ đã làm việc với tập đoàn Ishihara Sangyo nhằm phát triển các thiết bị để sản xuất các sợi nano thon. Các sợi thon có đường kính 400nm là những sợi có khả năng truyền ánh sáng đến 99%”.

Một công nghệ mang tính then chốt là phải “bắt được” được các chấm lượng tử đơn từ dung dịch keo và lắng đọng nó trên sợi nano. Quá trình kỹ thuật này được thực hiện bằng một thiết bị phân tán dung dịch điều khiển bằng máy tính kết hợp với một kính hiển vi đảo nghịch và bàn soi dịch mã chính xác. Kết quả từ các thí nghiệm đếm photon cho thấy sự lắng đọng chấm lượng tử đơn có độ chính xác thấp hơn 3µm, và điều quan trọng là hiệu suất kênh truyền dẫn photon tối đa đo được được là 22.0% như dự báo trong lý thuyết.

Hơn nữa, Hakuta và các cộng sự đã phát triển được một phương pháp mới nhằm tăng hiệu quả kênh dẫn truyền photon này bằng cách hợp nhất các cấu trúc hốc theo hai phương thức. “Một mặt, chúng tôi có thể tạo ra các sợi nano tinh thể quang tử bằng một chuỗi của hàng nghìn hốc nano có mật độ cao bằng công nghệ laser femto giây. Chúng tôi vô cùng ngạc nhiên khi phát hiện thấy các hốc có chu kỳ đặc biệt được tạo ra ở trên các mặt tối của các sợi nano. Chúng tôi chợt hiểu rằng, đó là do hiệu ứng thấu kính của chính sợi nano. Mặt khác, chúng tôi phát triển các hốc sợi nano phức hợp bằng các cấu trúc lưới nano bên ngoài”,  Hakuta giải thích. Bằng cách sử dụng các hốc sợi nano phức này chúng tôi chứng minh được hốc QED bằng các chấm lượng tử đơn.

Công trình nghiên cứu này có khả năng trở thành một mô hình mới đối với hốc QED, và tạo ra các nền tảng cơ sở cho mạng internet lượng tử và các ứng dụng khác. Hơn nữa công nghệ laser femto giây đã tạo ra được các hốc sợi nano tinh thể quang tử cặp đôi với các nguyên tử lạnh có thể hiện thực hóa các phương pháp điều khiển khác nhau đối với các photon đơn, cung cấp các công cụ cơ bản cho các mạng truyền thông internet thế hệ tiếp theo.

Theo Vista.gov.vn