MỸ – Khả năng điều khiển ánh sáng chính xác là một trong những nền tảng cốt lõi của công nghệ hiện đại. Từ truyền dẫn sợi quang đến cảm biến lượng tử, việc thao tác các hạt quang tử (photon) (*) đã trở thành xương sống của hạ tầng kỹ thuật số. Tuy nhiên, một thách thức lớn bấy lâu nay vẫn chưa có lời giải: điều khiển ánh sáng bằng chính ánh sáng ở mức độ cơ bản nhất, sử dụng các đơn hạt photon để đóng ngắt hoặc điều phối các chùm tia quang học với cường độ cao.
(*) Photon: là hạt cơ bản cấu tạo nên ánh sáng và tất cả các dạng bức xạ điện từ khác (như sóng vô tuyến, tia X, tia gamma …).

Mới đây, các nhà nghiên cứu tại đại học Purdue (Purdue university) đã đạt được cột mốc quan trọng này khi giới thiệu một “photonic transistor” (tạm dịch là ‘transistor quang học’) có khả năng hoạt động ở mứccường độ chỉ một photon. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology cho thấy chỉ số chiết suất phi tuyến (non-linear refractive index) (*) của thiết bị này cao hơn nhiều bậc so với các vật liệu tốt nhất hiện nay. Bước nhảy vọt này được kỳ vọng sẽ đưa công nghệ tính toán quang học (photonic computing) sớm đi vào thực tiễn.
(*) Non-linear refractive index: là hiện tượng trong đó chiết xuất của vật liệu không còn là hằng số, mà thay đổi theo cường độ của ánh sáng truyền qua nó. Trong đó, chiết xuất là đại lượng cho biết ánh sáng bị chậm lại và bị bẻ cong như thế nào khi từ môi trường này sang môi trường khác.

Giáo sư Vladimir Shalaev, chuyên gia ưu tú ngành kỹ thuật điện và máy tính tại đại học Purdue, chia sẻ: “Chúng tôi đã chứng minh được phương pháp tạo ra một transistor quang học hoạt động ở mức cường độ đơn photon. Đây là một bài toán khó đã tồn tại từ lâu, và chúng tôi đã tìm ra lời giải tiềm năng cho nó.”

Thành tựu này đã khắc phục được một vấn đề mang tính chất của hiện tượng phi tuyến quang học truyền thống (nơi một chùm sáng tác động lên một chùm sáng khác) thường yêu cầu mức năng lượng lớn.

Tiến sĩ Demid Sychev, thuộc nhóm của Giáo sư Shalaev, nói rằng: “Thông thường, tính phi tuyến quang học cho phép hai chùm sáng tương tác với nhau. Tuy nhiên, sự tương tác này chỉ xảy ra với các chùm sáng vĩ mô (ánh sáng có cường độ mạnh) vì chỉ số chiết suất phi tuyến vốn rất nhỏ. Điều này khiến phương pháp truyền thống không khả thi đối với các đơn hạt photon.”

Khuếch đại thế giới lượng tử
Giải pháp cho vấn đề này đến từ một cơ chế đầy bất ngờ: quy trình avalanche multiplication (nhân bản kiểu lở tuyết) vốn được dùng trong các máy dò đơn photon thương mại. Khi một photon đơn lẻ va chạm với silicon và tạo ra một electron, electron đó sẽ kích hoạt một phản ứng dây chuyền, tạo ra tới 1 triệu electron mới. Quá trình này đóng vai trò là “cầu nối” đưa các hiệu ứng lượng tử vi mô lên quy mô vĩ mô có thể đo lường được.

Tiến sĩ Sychev nói tiếp: “Quá trình nhân bản này là công cụ mạnh mẽ để kết nối thế giới lượng tử vi mô với thế giới vĩ mô. Nguyên lý này thường được dùng để phát hiện đơn photon, nhưng chúng tôi đã ứng dụng nó để tạo ra tính phi tuyến lớn, nơi một chùm tia đơn photon có thể điều khiển cả một chùm tia vĩ mô cường độ lớn.”

Nghiên cứu sinh Peigang Chen cho biết thêm, trong tương lai nhóm dự kiến sẽ tự chế tạo các điốt nhân bản kiểu lở tuyết đơn photon (SPAD – single-photon avalanche diodes) chuyên biệt cho thiết kế này thay vì sử dụng các sản phẩm thương mại để tối ưu hóa kết quả.

Thiết bị này hoạt động như một công tắc quang học: một photon duy nhất trong chùm điều khiển có thể điều phối các đặc tính của một chùm dò (probe beam) mạnh hơn nhiều, từ đó thực hiện thao tác đóng hoặc ngắt dòng ánh sáng một cách hiệu quả.

Ba ưu điểm quan trọng
Phương pháp của nhóm nghiên cứu tại đại học Purdue sở hữu ba ưu thế quan trọng so với các hướng tiếp cận phi tuyến tính đơn photon từng được nghiên cứu trước đây.

Thứ nhất, công nghệ này hoạt động ổn định ở nhiệt độ phòng. Tiến sĩ Sychev chia sẻ: “Thông thường, các hệ thống lượng tử sử dụng hệ hai mức (như bộ phát đơn photon kết hợp với hốc cộng hưởng) cực kỳ nhạy cảm với nhiệt độ và không thể vận hành trong môi trường bình thường.”

Thứ hai, công nghệ này tương thích với chuẩn bán dẫn oxit kim loại bổ sung CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor), nghĩa là có thể tích hợp trực tiếp vào các quy trình sản xuất chip hiện nay. Nghiên cứu sinh Peigang Chen nói rằng: “Thiết kế này rất gọn nhẹ và liền mạch. Thay vì các hệ vật lý phức tạp, đây thuần túy là công nghệ bán dẫn và hoàn toàn có thể chế tạo ngay trên chip.”

Thứ ba (điều quan trọng nhất), thiết bị đạt tốc độ xử lý hàng gigahertz (GHz) và có tiềm năng chạm ngưỡng hàng trăm GHz, vượt xa các phương pháp hiện hữu.

Từ điện toán lượng tử đến điện toán truyền thống
Dù nghiên cứu có ứng dụng rõ rệt trong điện toán lượng tử giúp tăng hiệu suất tạo đơn photon và đẩy nhanh giao thức viễn chuyển lượng tử (quantum teleportation) (*), Tiến sĩ Sychev tin rằng tác động đối với điện toán truyền thống còn mang tính cách mạng hơn.
(*) Quantum teleportation: là quá trình truyền tải thông tin trạng thái lượng tử của một hạt sang một hạt khác ở khoảng cách xa mà không cần hạt đó phải di chuyển qua không gian giữa hai điểm.

Tiến sĩ Sychev chia sẻ: “Lý do máy tính quang học chưa thể trở thành hiện thực là vì chúng ta thiếu các công tắc quang học hiệu quả. Về lý thuyết, photon tiêu thụ ít năng lượng hơn và nhanh hơn, có thể giúp CPU đạt tốc độ xử lý hàng terahertz (THz) thay vì mức 5 GHz như hiện nay. Tuy nhiên, tương tác giữa các photon thường yêu cầu công suất rất lớn. Với phương pháp của nhóm nghiên cứu, về nguyên tắc, có thể điều khiển tương tác đó chỉ bằng các đơn photon đơn lẻ.”

Tầm ảnh hưởng của nghiên cứu này còn mở rộng tới các trung tâm dữ liệu, viễn thông quang học và hệ thống truyền tải dữ liệu, bất cứ nơi nào mà tốc độ và hiệu suất năng lượng của photon có thể thay thế các linh kiện điện tử chậm chạp và tiêu tốn điện năng.

Tương lai của công nghệ ánh sáng
Nhóm nghiên cứu đang tập trung tối ưu hóa công nghệ. Mục tiêu tiếp theo là thiết kế các thiết bị chuyên biệt thay vì sử dụng đi-ốt SPAD thương mại, đồng thời thử nghiệm các cấu trúc hình học và vật liệu mới để nâng cao hiệu suất.

Dù thừa nhận chặng đường phía trước còn dài, Tiến sĩ Sychev nhấn mạnh tầm quan trọng của cột mốc này: “Đây là một bài toán kinh điển của ngành. Chúng tôi đã tìm ra một hướng đi tiềm năng để giải quyết nó và đó là điều rất đáng tự hào.”

Trong bối cảnh nhu cầu về các hệ thống tính toán và liên lạc tốc độ cao ngày càng tăng, khả năng điều khiển ánh sáng ở cấp độ đơn hạt photon chính là bước đi quyết định để khai thác tối đa tiềm năng của các công nghệ dựa trên ánh sáng.

Để xem các tin bài khác về “Tính toán quang học”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online