Một nhóm các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp khai thác cấu trúc của ánh sáng để làm xoắn và điều chỉnh các tính chất của vật liệu lượng tử. Kết quả của họ, được công bố ngày hôm nay trên Thiên nhiên, mở đường cho những tiến bộ trong điện tử lượng tử, điện toán lượng tử và thông tin thế hệ tiếp theo công nghệ.
Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng và Đại học Stanford, đã áp dụng phương pháp này cho một vật liệu được gọi là boron nitride lục giác (hBN), một lớp nguyên tử được sắp xếp theo mô hình tổ ong với các đặc tính tạo nên sự độc đáo thích hợp cho thao tác lượng tử. Trong các thí nghiệm của mình, các nhà khoa học đã sử dụng một loại ánh sáng đặc biệt, có điện trường trông giống như hình cây ba lá, để thay đổi và kiểm soát hành vi của vật liệu ở cấp độ lượng tử ở thang thời gian cực nhanh.
Cách sóng ánh sáng bị xoắn cũng cho phép các nhà nghiên cứu kiểm soát chính xác các đặc tính lượng tử của vật liệu—các quy tắc xác định hành vi của các electron, rất cần thiết cho dòng điện và dòng dữ liệu. Khả năng kiểm soát các đặc tính lượng tử theo yêu cầu này có thể mở đường cho việc tạo ra các công tắc lượng tử cực nhanh cho các công nghệ trong tương lai.
Shubhadeep Biswas, nhà khoa học tại SLAC và Đại học Stanford, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết: “Công việc của chúng tôi giống như việc tìm ra một cách mới để thì thầm với thế giới lượng tử và khiến nó tiết lộ bí mật của nó cho chúng ta”.
Các kỹ thuật truyền thống thường yêu cầu ánh sáng có đủ năng lượng để hoạt động với vật liệu, một hạn chế mà phương pháp mới này đã khéo léo vượt qua. Bằng cách sử dụng một loại ánh sáng đặc biệt và điều chỉnh mô hình của nó để phù hợp với mô hình của vật liệu, các nhà khoa học có thể điều chỉnh vật liệu thành các cấu hình mới mà không bị hạn chế bởi các đặc tính tự nhiên của nó.
“Ánh sáng có cấu trúc này không chỉ chiếu sáng vật liệu; nó xoắn quanh nó, thay đổi các đặc tính lượng tử theo yêu cầu theo cách mà chúng ta có thể kiểm soát,” Biswas nói.
Tính linh hoạt này có thể cho phép phương pháp này hoạt động với nhiều ứng dụng, giúp phát triển các công nghệ mới dễ dàng hơn. Về bản chất, nhóm nghiên cứu đã tạo ra các điều kiện để các electron chuyển động theo những cách mới và có thể kiểm soát được. Ví dụ, điều đó có thể dẫn đến sự phát triển các công tắc siêu nhanh cho máy tính lượng tử, có thể hoạt động tốt hơn đáng kể so với các máy tính chúng ta sử dụng ngày nay.
Ngoài những kết quả trước mắt, nghiên cứu này còn hứa hẹn cho những ứng dụng trong tương lai trong lĩnh vực “điện tử thung lũng”, một lĩnh vực thúc đẩy các đặc tính lượng tử của các electron cư trú trong các thung lũng năng lượng khác nhau của vật liệu để xử lý thông tin. Không giống như các phương pháp tiếp cận truyền thống đòi hỏi ánh sáng phù hợp với các thung lũng năng lượng đó, phương pháp mới có khả năng thích ứng cao hơn, đưa ra hướng đi mới để phát triển các thiết bị lượng tử.
Khả năng của các nhà nghiên cứu trong việc điều khiển các thung lũng lượng tử trong hBN có thể dẫn đến các thiết bị mới, chẳng hạn như các công tắc lượng tử cực nhanh, hoạt động không chỉ trên hệ nhị phân 0 và 1 mà còn trên bối cảnh thông tin lượng tử phức tạp hơn. Điều này sẽ cho phép xử lý và lưu trữ thông tin nhanh hơn, hiệu quả hơn.
Cộng tác viên Matthias F. Kling, giám đốc bộ phận R&D tại LCLS cho biết: “Nó không chỉ là việc bật và tắt công tắc”. “Đó là việc tạo ra một công tắc có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc, làm tăng đáng kể sức mạnh và tiềm năng của các thiết bị của chúng tôi. Nó mở ra một cách hoàn toàn mới để thiết kế các tính chất của vật liệu ở cấp độ lượng tử. Các ứng dụng tiềm năng rất rộng lớn, từ điện toán lượng tử đến các hình thức xử lý thông tin lượng tử mới.”
Nghiên cứu cũng làm sáng tỏ những cách cơ bản mà các nhà khoa học có thể tương tác và kiểm soát thế giới lượng tử. Đối với các nhà khoa học liên quan, hành trình vào thế giới lượng tử này không chỉ là cảm giác hồi hộp khi khám phá mà còn là việc vượt qua ranh giới của những gì có thể.
Biswas nói: “Một trong những khía cạnh thú vị nhất là tiềm năng to lớn của những phát hiện của chúng tôi. “Chúng ta đang ở trên đỉnh của một kỷ nguyên mới về công nghệ và chúng ta mới bắt đầu khám phá những gì có thể thực hiện được khi khai thác sức mạnh của vật liệu lượng tử.”
Nhóm còn có các nhà nghiên cứu từ Viện Quang học Lượng tử Max Planck, Garching; Ludwig-Maximilians-Đại học Munich ở Đức; và Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid ở Tây Ban Nha.