Hãy tưởng tượng bạn có thể điều khiển các nguyên tử bằng ánh sáng và sử dụng chúng để lưu trữ và truyền thông tin. Đây là tầm nhìn của công nghệ lượng tử, hứa hẹn sẽ cách mạng hóa các lĩnh vực như điện toán, truyền thông và phát triển cảm biến. 

Xem thêm:

Máy tính lượng tử đánh bại siêu máy tính trong một số vấn đề vật lý

Cảm Biến Lượng Tử: Tương Lai của Loài Người

Nhưng làm thế nào để chúng ta đạt được kỳ tích này? Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Washington đã đạt được một bước tiến quan trọng bằng cách phát hiện và kiểm soát “hơi thở” nguyên tử trong một thiết bị cấp lượng tử.

“Hơi thở” Nguyên tử là gì?

“Hơi thở” nguyên tử là một thuật ngữ mô tả sự rung động của các nguyên tử trong vật liệu. Khi các nguyên tử dao động, chúng phát ra hoặc hấp thụ quasiparticle gọi là phonon, là đơn vị năng lượng âm thanh hoặc nhiệt. Phonon có thể tương tác với các quasiparticle khác, chẳng hạn như exciton, là các cặp electron và lỗ trống liên kết (electron bị thiếu) có thể được tạo ra bởi ánh sáng. Exciton cũng có thể phát ra photon, là đơn vị năng lượng ánh sáng.

Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu một thiết bị làm bằng vonfram diselenua, một vật liệu hai chiều có thể chứa các exciton. Họ sử dụng tia laze để kích thích các exciton và quan sát ánh sáng mà chúng phát ra. Họ phát hiện ra rằng mỗi photon do exciton phát ra được kết hợp với một hoặc nhiều phonon, dẫn đến các đỉnh cách đều nhau trong quang phổ ánh sáng phát ra. Điều này có nghĩa là các nguyên tử trong vật liệu đã “thở” đồng bộ với các exciton.

Tại sao điều này lại quan trọng đối với công nghệ lượng tử?

Các nhà nghiên cứu nhận ra rằng họ có thể sử dụng các phonon để thay đổi năng lượng tương tác của các photon và exciton liên quan. Điều này có thể hữu ích cho việc mã hóa thông tin lượng tử, vốn dựa trên việc điều khiển trạng thái lượng tử của các hạt, chẳng hạn như năng lượng hoặc spin của chúng. Bằng cách kiểm soát sự phát xạ phonon, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các tổ hợp trạng thái photon và exciton khác nhau, có thể đóng vai trò là bit lượng tử hoặc qubit, đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử.

Các nhà nghiên cứu cũng chứng minh rằng thiết bị của họ có thể hoạt động như một bộ phát photon đơn lẻ, một thành phần quan trọng đối với các công nghệ lượng tử dựa trên ánh sáng và quang học. Các bộ phát photon đơn lẻ có thể tạo ra các photon riêng lẻ theo yêu cầu, có thể được sử dụng để mang thông tin lượng tử trên một khoảng cách dài hoặc để thực hiện mật mã lượng tử, một cách mã hóa và giải mã dữ liệu an toàn.

Các bước tiếp theo là gì?

Mục tiêu cuối cùng của nhóm là tạo ra một hệ thống tích hợp với các bộ phát lượng tử sử dụng các photon và phonon đơn lẻ cho các ứng dụng cảm biến và điện toán lượng tử. Họ dự định khám phá các vật liệu khác có thể chứa các exciton và phonon, cũng như các cách để cải thiện hiệu quả và tính ổn định của thiết bị của họ. Họ cũng hy vọng có thể hợp tác với các nhà nghiên cứu khác trong lĩnh vực công nghệ lượng tử để phát triển các phương pháp và giao thức mới cho việc sử dụng thiết bị của họ.

Phát hiện của nhóm đã được công bố trên tạp chí Nature Communications. Tác giả chính của nghiên cứu là Tiến sĩ Xiaodong Xu, giáo sư vật lý và khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Đại học Washington. Ông đã tham gia cùng với các đồng tác giả từ nhóm nghiên cứu của mình, cũng như từ Đại học Columbia và Đại học Bắc Kinh.

Nghiên cứu được đăng trên: Nature

Share.
Theo dõi
Thông báo của
guest
0 Góp ý
Phản hồi nội tuyến
Xem tất cả bình luận