Trung Quốc tiến gần hơn chip lượng tử nhờ tạo ra nguồn sáng mới

Các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã tiến một bước gần hơn đến việc chế tạo chip lượng tử với việc lần đầu tiên trên thế giới sử dụng chất bán dẫn thông thường để tạo ra nguồn sáng lượng tử.

Chip lượng tử có khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp nhanh gấp nhiều lần so với tính toán thông thường dựa trên điện tử, nhưng các nhà khoa học phải vật lộn để chế tạo các thành phần cần thiết cho một mạch tích hợp.

Một nhóm nghiên cứu ở Trung Quốc hiện cho biết họ đã tạo ra một trong những thành phần đó - nguồn sáng lượng tử - bằng cách sử dụng chất bán dẫn gallium nitride (GaN), một vật liệu được sử dụng trong các điốt phát sáng màu xanh lam trong nhiều thập kỷ.

Theo nhóm nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Trung Quốc (UETC), Đại học Thanh Hoa và Viện Vi hệ thống và Công nghệ thông tin Thượng Hải, nguồn sáng lượng tử có “tiềm năng đáng chú ý” để chế tạo các chip lượng tử nhỏ, mạnh mẽ. Nó tạo ra các cặp hạt ánh sáng vướng víu cơ học lượng tử có thể dùng để mang thông tin.

So với các nguồn ánh sáng lượng tử hiện có dựa trên các vật liệu như silicon nitride và indium phosphide, GaN có dải bước sóng rộng hơn nhiều và có thể được sử dụng để chế tạo các thành phần chính khác của mạch lượng tử.

Nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Physical Review Letters vào tháng trước. Trưởng nhóm nghiên cứu Zhou Qiang cho biết: "Chúng tôi chứng minh rằng gallium nitride là một nền tảng vật liệu lượng tử tốt cho thông tin quang tử lượng tử, trong đó việc tạo ra ánh sáng lượng tử là rất quan trọng. Nền tảng gallium nitride mang lại triển vọng đầy hứa hẹn cho việc phát triển chip quang tử lượng tử trong tương lai gần".

Chuyên gia quang tử lượng tử Thomas Walther từ Đại học Kỹ thuật Darmstadt (Đức) nhận định công trình của nhóm nghiên cứu Trung Quốc là “một bước tiến lớn”, vì có thể cắt giảm chi phí chế tạo thiết bị, đồng thời làm cho chúng nhỏ gọn và chắc chắn hơn nhiều so với hiện nay.

Trong thí nghiệm của họ, Zhou và các đồng nghiệp của ông lần đầu tiên tạo một màng mỏng GaN trên lớp sapphire. Sau đó, họ khắc một vòng trong màng có đường kính 120 micromet, cho phép các hạt ánh sáng từ chùm tia laser di chuyển xung quanh vòng.

Khi các nhà nghiên cứu đưa ánh sáng laser hồng ngoại vào màng GaN, một số hạt ánh sáng bị giữ lại và trở thành “cộng hưởng” theo cặp. Do một hiệu ứng được gọi là tự phát bốn sóng hỗn hợp (spontaneous four-wave mixing), một số cặp cộng hưởng tạo ra cặp hạt ánh sáng mới liên kết với nhau một cách đặc biệt.

Ông Zhou cho biết mức độ liên kết do vòng GaN tạo ra “có thể so sánh” với mức độ đo được ở các nguồn sáng lượng tử khác.

Phạm vi bước sóng đầu ra cũng mở rộng từ 25,6 nanomet so với các vật liệu trước đây lên đến 100 nanomet với thiết bị mới.

"Bằng cách cung cấp nhiều tài nguyên bước sóng hơn, chúng tôi sẽ có thể đáp ứng nhu cầu của nhiều người dùng hơn với mong muốn truy cập vào mạng lượng tử thông qua các bước sóng khác nhau", ông Zhou nói với tờ Khoa học & Công nghệ Trung Quốc.

Bên cạnh nguồn sáng lượng tử, GaN cũng là vật liệu đầy hứa hẹn để chế tạo các thành phần khác của mạch lượng tử, bao gồm laser bơm và máy dò hạt ánh sáng, theo nhóm nghiên cứu.

Nhóm nghiên cứu cho biết: "So với các nền tảng hiện cỏ, GaN có triển vọng đáng kể cho việc chế tạo các mạch tích hợp quang tử lượng tử trên chip toàn diện".