Làm vướng víu các photon bằng diode điện

Các nhà nghiên cứu ở Cambridge, Anh quốc, vừa thành công trong việc làm vướng víu các photon chỉ sử dụng độc nhất phương tiện điện, với một dụng cụ mới tên gọi là “diode phát quang vướng víu” (ELED). Dụng cụ trên biến đổi trực tiếp dòng điện thành ánh sáng vướng víu thay vì hoạt động trên nguồn laser như công nghệ trước đây. Kĩ thuật trên có thể là một phương pháp thực tiễn để tích hợp nhiều nguồn ánh sáng vướng víu lại với nhau trên một con chip – cái sẽ thiết yếu đối với việc chế tạo một máy tính quang lượng tử thật sự.

alt

Ảnh: Toshiba/Đại học Cambridge

Sự vướng víu cho phép các hạt có mối tương quan gần gũi hơn nhiều so với được phép trong vật lí cổ điển: nếu hai hạt bị vướng víu, thì chúng ta có thể tự động biết trạng thái của một hạt bằng cách đo trạng thái của hạt kia – mặc dù cả hai trạng thái không thể nào dự đoán trước khi đo. Thí dụ, hai photon có thể bị làm cho vướng víu sao cho chúng luôn luôn được đo có cùng sự phân cực thẳng, mặc dù chúng ta không thể dự đoán trước sự phân cực đó.

Cơ học lượng tử còn cho biết rằng hạt có thể tồn tại ở trong sự chồng chập của hai trạng thái đồng thời. Một hiện tượng như vậy có thể khai thác trong một máy tính lượng tử, thiết bị trên nguyên tắc có thể qua mặt một máy tính cổ điển đối với những nhiệm vụ nhất định. Đây là vì các máy tính bình thường sử dụng các bit thông tin được gán giá trị 1 hoặc 0, còn một máy tính lượng tử sẽ sử dụng các bit thông tin lượng tử, hay qubit, có thể ở trong sự chồng chất của cả 1 và 0 đồng thời. Trạng thái 1 có thể biểu diễn, nói thí dụ, một photon phân cực ngang, còn 0 có thể biểu diễn một photon phân cực dọc.

Andrew Shields và Mark Stevenson thuộc Phòng nghiên cứu Toshiba châu Âu cùng các đồng nghiệp đến từ trường đại học Cambridge chế tạo ELED của họ, sử dụng một kĩ thuật chế tạo bán dẫn chuẩn tương tự như kĩ thuật dùng trong sản xuất các đèn LED bình thường. Kĩ thuật này nuôi những lớp chất bán dẫn sử dụng sự mọc ghép chùm phân tử, sau đó là các quá trình vạch rõ vùng hoạt tính của LED và các tiếp xúc điện. ELED khác với LED bình thường ở chỗ nó chứa các chấm lượng tử - những hòn đảo bán dẫn nhỏ xíu kích cỡ nano mét.

Chấm lượng tử trên có thể điều chỉnh để bắt giữ hai electron và hai lỗ trống, đưa hệ vào một trạng thái "biexciton". Trạng thái này sau đó phân hủy thành một trạng thái cơ bản thông qua một trong hai trạng thái exciton trung gian, con đường xác định sự phân cực của các cặp photon thu được. Nếu sự phân tách cấu trúc tinh tế giữa hai trạng thái này xấp xỉ bằng không thì cách duy nhất để xác định con đường phân hủy là đo sự phân cực của các photon – do đó, các photon được nói là bị vướng víu.

Mặc dù quá trình này đã được sử dụng trước đây để phát ra các cặp photon độc thân, nhưng người ta chưa bao giờ có thể làm vướng víu các photon với số lượng lớn. Điều quan trọng để thu được hiện tượng này là tối ưu hóa bề dày của chất bán dẫn bao quanh chấm lượng tử để điều khiển nguồn cấp điện cho nó, ngăn không cho các electron chui hầm vào chấm lượng tử từ vùng pha tạp n, cái sẽ làm hỏng mất sự vướng víu. Điều cũng quan trọng là cần xử lí thận trọng chấm lượng tử độc thân nằm ngay giữa của dụng cụ để đảm bảo rằng nó phát ra các photon với năng lượng 1,4 eV có sự phân tách tinh tế rất nhỏ giữa hai lộ trình sản sinh của chúng.

Dụng cụ trên phát ra từng cặp photon riêng rẻ khi một dòng điện dạng xung được thiết lập và có “độ tin cậy vướng víu” 0,82 – một con số đủ cao cho nó được sử dụng trong các rờ le lượng tử, liên quan đến các thành phần lõi của điện toán lượng tử, thí dụ như sự viễn tải. Độ tin cậy vướng víu là số đo mức độ thuần khiết của ánh sáng bị vướng víu: nếu giá trị này vượt quá 0,5 thì ánh sáng phát ra bị vướng víu, với 1 là giá trị cực đại.

Mặc dù các nhà nghiên cứu trước đây đã tạo ra ánh sáng bị vướng víu có độ tin cậy cao hơn là 0,91, nhưng thường chúng liên quan đến những phương pháp phức tạp hơn đòi hỏi phải chiếu một chùm laser cường độ mạnh lên trên các chấm lượng tử trong tinh thể. Dụng cụ mới, mặt khác, được cấp nguồn đơn giản bằng một nguồn điệp áp. Các kĩ thuật điều khiển bằng laser khác, thí dụ như “chuyển hóa giới hạn dưới” của các photon, có thể tại ra ánh sáng bị vướng víu với độ tin cậy còn cao hơn, tuy nhiên đây vẫn là những quá trình ngẫu nhiên, nghĩa là số lượng photon bị vướng víu tạo ra một chu kì là biến thiên. Thật vậy, không, hai, hoặc nhiều cặp hơn có thể được tạo ra – gây trở ngại cho các ứng dụng điện toán lượng tử.

“Các nguồn chấm lượng tử như ELED không phải chịu giới hạn cơ bản này và, trên nguyên tắc, hoạt động “theo yêu cầu” phát ra một cặp photon vướng víu trong mỗi chu kì”, Stevenson nói. “Độ tin cậy của ELED của chúng tôi thật đáng kể khi xét đây là dụng cụ đầu tiên thuộc loại này. Trên lí thuyết, nó có thể cao hơn nhiều”.

Đội Cambridge hi vọng rằng dụng cụ của họ cuối cùng có thể giúp hiện thực hóa các máy tính quang lượng tử đòi hỏi nhiều nguồn ánh sáng vướng víu trên một con chip. Yêu cầu này khó thực hiện với các phương pháp khác dùng ánh sáng laser làm nguồn vì phần cứng đi cùng với việc phát, phân phối và tập trung ánh sáng ngày càng nhanh chóng đi đến chỗ quá to và phức tạp. Stevenson cho biết điện toán lượng tử sẽ giúp xử lí nhiều bài toán khó nuốt thí dụ như mô phỏng khí hậu và trong nghiên cứu dược phẩm.

Công trình công bố trên tạp chí Nature.