Chip quang tử mới cho ánh sáng cô lập có thể là chìa khóa cho công nghệ lượng tử thu nhỏ

Ánh sáng cung cấp một cách không thể thay thế để tương tác với vũ trụ của chúng ta. Nó có thể di chuyển qua các khoảng cách thiên hà và va chạm với bầu khí quyển của chúng ta, tạo ra một trận mưa hạt kể câu chuyện về các sự kiện thiên văn trong quá khứ. Ở đây trên trái đất, việc điều khiển ánh sáng cho phép chúng ta gửi dữ liệu từ bên này sang bên kia hành tinh.

Với tiện ích mở rộng của nó, nó không có gì ngạc nhiên khi ánh sáng đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo điều kiện cho ²¹ ứng dụng thông tin lượng tử thế kỷ. Ví dụ, các nhà khoa học sử dụng ánh sáng laser để điều khiển chính xác các nguyên tử, biến chúng thành các thước đo siêu nhạy về thời gian, gia tốc và thậm chí cả trọng lực. Hiện tại, công nghệ lượng tử ban đầu như vậy bị giới hạn bởi kích thước – các hệ thống tối tân sẽ không phù hợp với bàn ăn trong phòng ăn, chứ chưa nói đến một con chip. Để sử dụng thực tế, các nhà khoa học và kỹ sư cần thu nhỏ các thiết bị lượng tử, đòi hỏi phải suy nghĩ lại một số thành phần nhất định để khai thác ánh sáng.

Giờ đây, Gaurav Bahl, thành viên IQUIST và nhóm nghiên cứu của ông đã thiết kế một mạch quang tử nhỏ gọn, đơn giản sử dụng sóng âm để tái tạo ánh sáng. Nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Photonics ngày 21 tháng 10 năm 2021, chứng minh một cách mạnh mẽ để cô lập hoặc kiểm soát hướng của ánh sáng. Các phép đo của nhóm cho thấy phương pháp cách ly của họ hiện vượt trội hơn tất cả các lựa chọn thay thế trên chip trước đây và được tối ưu hóa để tương thích với các cảm biến dựa trên nguyên tử.

Bahl, giáo sư về Khoa học và Kỹ thuật Cơ khí (MechSe) tại Đại học Illinois ở Urbana-Champaign, cho biết: “Nguyên tử là tài liệu tham khảo hoàn hảo ở mọi nơi trong tự nhiên và là cơ sở cho nhiều ứng dụng lượng tử. “Các tia laser mà chúng tôi sử dụng để điều khiển các nguyên tử cần các bộ cách ly ngăn chặn các phản xạ không mong muốn. Nhưng cho đến nay các chất cách ly hoạt động tốt trong các thí nghiệm quy mô lớn đã tỏ ra khó thu nhỏ ”.

Ngay cả trong những trường hợp tốt nhất, ánh sáng vẫn khó kiểm soát – nó sẽ phản xạ, hấp thụ và khúc xạ khi gặp một bề mặt. Một chiếc gương sẽ gửi ánh sáng trở lại nơi nó phát ra, một mảnh thủy tinh bẻ cong ánh sáng trong khi cho nó xuyên qua và những tảng đá tối sẽ hấp thụ ánh sáng và chuyển nó thành nhiệt. Về cơ bản, ánh sáng sẽ sẵn sàng tán xạ mọi thứ trên đường đi của nó. Hành vi khó sử dụng này là lý do tại sao ngay cả một tia sáng nhỏ cũng có lợi cho việc nhìn trong bóng tối.

Điều khiển ánh sáng trong các thiết bị lượng tử lớn thường là một nhiệm vụ khó khăn liên quan đến một biển rộng lớn các gương, thấu kính, sợi quang và hơn thế nữa. Việc thu nhỏ đòi hỏi một cách tiếp cận khác đối với nhiều thành phần này. Trong vài năm gần đây, các nhà khoa học và kỹ sư đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong việc thiết kế các yếu tố điều khiển ánh sáng khác nhau trên vi mạch. Họ có thể chế tạo ống dẫn sóng, là kênh vận chuyển ánh sáng và thậm chí có thể thay đổi màu sắc của nó bằng cách sử dụng một số vật liệu nhất định. Nhưng buộc ánh sáng, được tạo ra từ các bọng nhỏ gọi là photon, di chuyển theo một hướng trong khi ngăn chặn các phản xạ ngược không mong muốn là điều khó khăn.

Tác giả đầu tiên của nghiên cứu là Benjamin Sohn, một nghiên cứu sinh và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ ở Mechse, hiện đang làm việc tại NIST, Boulder, cho biết: “Một bộ cách ly là một thiết bị cho phép ánh sáng đi qua không bị gián đoạn và chặn nó hoàn toàn theo hướng ngược lại. “Tính đơn hướng này không thể đạt được nếu chỉ sử dụng bất kỳ vật liệu điện môi hoặc kính thông thường nào, và vì vậy chúng ta cần phải đổi mới hơn một chút. Chúng tôi cũng muốn bộ cách ly hoạt động ở bước sóng ánh sáng được điều chỉnh theo cảm biến nguyên tử, điều này có thể khó khăn ngay cả ở quy mô lớn ”.

Trong các thí nghiệm điển hình, công cụ tốt nhất để đạt được tính đơn hướng sử dụng nam châm. Ví dụ, gần như mọi tia laser đều có bộ cách ly quang từ cho phép ánh sáng thoát ra khỏi tia laser nhưng ngăn nó truyền ngược lại, điều này sẽ làm rối loạn chức năng của tia laser. Mặc dù ngay cả tia laser cũng có thể được thu nhỏ, nhưng việc thu nhỏ các bộ cách ly thông thường là vấn đề vì hai lý do. Đầu tiên, trong các thiết bị nhỏ gọn, từ trường sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến các nguyên tử gần đó. Thứ hai, ngay cả khi có cách để giải quyết vấn đề này, các vật liệu bên trong bộ cách ly không hoạt động tốt trên các thang độ dài nhỏ hơn trên chip.

Nhóm của Bahl đã trình diễn một bộ cách ly không từ tính mới có thiết kế đơn giản, sử dụng các vật liệu quang học phổ biến và dễ dàng thích ứng với các bước sóng ánh sáng khác nhau.

“Chúng tôi muốn thiết kế một thiết bị tránh mất mát một cách tự nhiên và cách tốt nhất để làm điều đó là để ánh sáng truyền qua không. Một chút ‘không có gì’ đơn giản nhất mà vẫn có thể dẫn các photon đi theo một con đường được kiểm soát là một ống dẫn sóng, một thành phần rất cơ bản trong các mạch quang tử, “Bahl nói.

Trong một hệ thống hoàn chỉnh dựa trên nguyên tử, ống dẫn sóng sẽ hướng ánh sáng laser đi qua một loạt các phần tử đến một buồng nhỏ chứa các nguyên tử. Với suy nghĩ này, nhóm đã tối ưu hóa con chip của họ để sử dụng với ánh sáng 780 nanomet, là bước sóng cần thiết để cấu hình các cảm biến dựa trên rubidi thông thường.

Đó chỉ là nửa đầu của thiết kế vì để cách ly, ánh sáng phải đồng thời bị chặn theo hướng ngược lại. Trước đó , nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng họ có thể phóng sóng âm vào một mạch quang tử để phá vỡ luồng ánh sáng đối xứng. Trong nghiên cứu mới, nhóm đã biến ý tưởng này thành một phần trình diễn của một phần tử chip chức năng.

Bộ cách ly quang tử hoàn chỉnh chứa một ống dẫn sóng và một bộ cộng hưởng vòng liền kề, trông giống như một đường đua thuôn dài. Thông thường, ánh sáng tới sẽ chỉ truyền từ ống dẫn sóng vào bộ cộng hưởng, bất kể hướng của nó, do đó chặn tất cả các luồng ánh sáng. Nhưng khi nhóm nghiên cứu áp dụng sóng âm vào chiếc nhẫn, bộ cộng hưởng chỉ bắt được ánh sáng đang chuyển động ngược lại qua ống dẫn sóng. Theo hướng về phía trước, ánh sáng đi qua ống dẫn sóng mà không bị cản trở, như thể bộ cộng hưởng đơn giản là không có ở đó.

Các phép đo của nhóm nghiên cứu cho thấy gần như mọi photon đều di chuyển qua ống dẫn sóng theo hướng về phía trước, trong khi chỉ có một phần mười nghìn cơ hội vượt qua ngược lại. Điều này có nghĩa là thiết kế đã giảm tổn thất, hoặc sự hấp thụ ánh sáng không mong muốn, xuống gần bằng 0, vốn là vấn đề lâu dài với các bộ cách ly trên chip trước đây. Dữ liệu cho thấy các thiết bị mới thể hiện hiệu suất kỷ lục về khả năng cách ly và hoạt động trên chip cũng như các thiết bị dựa trên nam châm lớn hơn. Ngoài ra, phương pháp này rất linh hoạt và có thể sử dụng cho nhiều bước sóng mà không cần thay đổi nguyên liệu ban đầu.

“Sự đơn giản trong chế tạo là chìa khóa — với cách tiếp cận của chúng tôi, bạn có thể in các bộ cách ly quang tử hoạt động tốt cho bất kỳ bước sóng nào bạn cần, tất cả trên cùng một con chip cùng một lúc. Điều này là không thể với các cách tiếp cận khác ngày nay, ”đồng tác giả Ogulcan Orsel, nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện tại Đại học I, cho biết.

Điều này có thể làm cho thiết kế mới trở nên hữu ích cho các ứng dụng khác, như điện toán lượng tử , nơi từ trường lạc, không kiểm soát được cũng như ánh sáng không mong muốn có thể làm xói mòn hiệu suất tổng thể của thiết bị.

Tham khảo: “Cách ly quang học điều khiển bằng điện thông qua sự phân tách quang tử qua trung gian phonon – Townes” của Donggyu B. Sohn, Ogulcan E. Örsel và Gaurav Bahl, ngày 21 tháng 10 năm 2021, Nature Photonics .
DOI: 10.1038 / s41566-021-00884-x

Công trình được hỗ trợ bởi Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng ( DARPA ), Văn phòng Nghiên cứu Khoa học Không quân (AFOSR), Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) và Văn phòng Nghiên cứu Hải quân (ONR).

Theo Scitechdaily