Trong cuộc đua xây dựng công nghệ lượng tử, việc kiểm soát từng hạt ánh sáng ở cấp độ cơ bản đang trở thành một trong những mục tiêu quan trọng nhất. Photon (những lượng tử ánh sáng) không chỉ là phương tiện truyền thông tin mà còn là nền tảng của nhiều hệ thống điện toán và truyền thông lượng tử.
Trong hơn một thập kỷ qua, các nhà khoa học đã đạt nhiều tiến bộ trong việc tạo ra các nguồn phát photon đơn theo yêu cầu. Những thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống điện toán lượng tử và truyền thông bảo mật. Tuy nhiên, việc tạo ra chính xác hai photon cùng lúc với độ tin cậy cao vẫn là một thách thức lớn.
Một nhóm nhà khoa học Trung Quốc mới đây đã tiến thêm một bước quan trọng khi phát triển một thiết bị chấm lượng tử có khả năng phát ra các cặp photon với độ tinh khiết cực cao. Trong thí nghiệm, ánh sáng thu được từ thiết bị cho thấy 98,3% photon xuất hiện dưới dạng từng cặp, một trong những mức cao nhất từng đạt được trong các hệ vật liệu trạng thái rắn.
Theo Yuan Zhiliang, nhà khoa học trưởng tại Viện Khoa học Thông tin Lượng tử Bắc Kinh, các cặp photon có thể tồn tại trong trạng thái rối lượng tử, nghĩa là chúng duy trì sự đồng bộ về thời gian và năng lượng bất kể khoảng cách giữa chúng. Đặc tính này khiến photon đôi trở thành công cụ đặc biệt giá trị trong nhiều lĩnh vực, từ đo lường chính xác, cảm biến lượng tử cho tới các kỹ thuật chụp ảnh tiên tiến.
Ngoài ra, các hệ photon đôi còn được xem là nền tảng cho các mạng truyền thông lượng tử siêu bảo mật, nơi thông tin được mã hóa bằng các trạng thái lượng tử mà không thể bị sao chép hay nghe lén theo cách truyền thống.
Trước đây, phần lớn các nguồn photon đôi được tạo ra bằng các tinh thể phi tuyến. Trong các hệ này, một photon laser năng lượng cao có thể tách thành hai photon có năng lượng thấp hơn. Tuy nhiên, quá trình này mang tính xác suất, có nghĩa là hệ thống đôi khi tạo ra một cặp photon, nhưng cũng có thể tạo ra hai hoặc nhiều cặp cùng lúc. Sự ngẫu nhiên đó tạo ra nhiễu và làm giảm hiệu suất của các hệ thống quang tử lượng tử.
Để khắc phục hạn chế này, các nhà khoa học đã hướng đến chấm lượng tử bán dẫn. Những cấu trúc nano này thường được ví như các “nguyên tử nhân tạo” vì chúng có thể giữ và điều khiển electron ở các mức năng lượng xác định.
Khi được kích thích bằng ánh sáng, electron trong chấm lượng tử có thể chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon. Về lý thuyết, nếu hai electron cùng bị kích thích, chúng có thể lần lượt tái hợp và phát ra hai photon liên tiếp thông qua quá trình được gọi là chuỗi song kích tử - kích tử.
Tuy nhiên, trong thực tế, electron đầu tiên thường phát photon ngay lập tức, khiến hệ không thể hình thành trạng thái hai electron cần thiết để tạo cặp photon. Điều này khiến việc tạo ra photon đôi từ một chấm lượng tử duy nhất trở nên cực kỳ khó khăn.
Nhóm nghiên cứu đã giải quyết vấn đề bằng cách đặt chấm lượng tử vào trong một vi cộng hưởng quang học cực nhỏ. Cấu trúc này giúp giữ và tăng cường quá trình phát xạ ánh sáng thông qua hiệu ứng Purcell, làm tăng đáng kể tốc độ phát photon.
Điểm đột phá nằm ở việc điều khiển chấm lượng tử đi vào một trạng thái đặc biệt gọi là kích tử tối. Trong trạng thái này, electron bị kích thích không phát photon ngay lập tức mà tồn tại trong một khoảng thời gian đủ dài để một electron thứ hai cũng được kích thích.
Các nhà khoa học sử dụng các xung laser được điều chỉnh chính xác cùng kỹ thuật kích thích p-shell chọn lọc theo phân cực để đưa electron vào trạng thái tối. Khi hai electron cùng tồn tại trong chấm lượng tử, chúng tạo thành trạng thái song kích tử và nhanh chóng suy giảm theo chuỗi hai bước, phát ra hai photon liên tiếp.
Sự hiện diện của vi cộng hưởng quang học còn giúp tăng cường quá trình phát photon, làm tăng mối liên hệ giữa hai photon phát ra.
Kết quả thí nghiệm cho thấy hệ thống đạt hiệu suất tạo cặp photon 29,9% và giá trị tương quan g²(0) khoảng 3,97, cho thấy tín hiệu phát photon đôi rất mạnh. Quan trọng hơn, 98,3% photon thu được xuất hiện theo từng cặp, chứng tỏ thiết bị hoạt động giống như một nhà máy sản xuất photon đôi thu nhỏ.
Tuy vậy, công nghệ này vẫn chưa sẵn sàng cho các ứng dụng thực tế. Thiết bị hiện chỉ hoạt động ở nhiệt độ cực thấp, dưới 10 Kelvin, tương đương điều kiện gần với heli lỏng. Việc duy trì môi trường nhiệt độ như vậy đòi hỏi hệ thống làm lạnh phức tạp và tốn kém.
Các nhà nghiên cứu hy vọng trong tương lai có thể nâng nhiệt độ hoạt động lên gần mức nitơ lỏng, khoảng trên 77 Kelvin. Nếu đạt được điều này, việc triển khai các nguồn photon đôi trong mạng lượng tử và các hệ thống cảm biến tiên tiến sẽ trở nên dễ dàng và kinh tế hơn.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Materials, và được xem là một bước tiến quan trọng hướng tới việc xây dựng các nguồn photon đôi theo yêu cầu cho kỷ nguyên công nghệ lượng tử.