Bước xoay nhỏ, tiềm năng lớn cho công nghệ lượng tử

Trong cuộc đua phát triển công nghệ lượng tử, một trong những thách thức lớn nhất là kiểm soát các nguồn phát photon đơn lẻ - những hạt ánh sáng đóng vai trò như "đơn vị thông tin" trong các hệ thống lượng tử tương lai. Dù đã được nghiên cứu trong nhiều năm, việc điều chỉnh các nguồn sáng cực nhỏ này theo ý muốn vẫn là nhiệm vụ không hề đơn giản.

Một nghiên cứu mới từ Đại học Công nghệ Sydney, Australia đã cho thấy lời giải có thể đến từ một thao tác tưởng chừng rất đơn giản: xoay các lớp vật liệu siêu mỏng.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng boron nitride lục giác (hexagonal boron nitride - hBN), một loại vật liệu chỉ dày vài lớp nguyên tử. Khác với nhiều vật liệu lượng tử truyền thống, hBN có cấu trúc dạng lớp nên có thể được tách ra, xoay theo các góc khác nhau rồi ghép lại.

Khi thay đổi góc xoắn giữa các lớp vật liệu, các nhà khoa học nhận thấy màu sắc và bước sóng của ánh sáng phát ra từ các nguồn phát lượng tử cũng thay đổi đáng kể. Đây là kết quả đáng chú ý bởi khả năng điều chỉnh nguồn phát lượng tử thường rất hạn chế.

TS. Angus Gale, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết các nhà khoa học từ lâu đã có thể quan sát và đo đạc các nguồn phát lượng tử, nhưng việc điều khiển chúng để phục vụ các ứng dụng thực tế vẫn là thách thức lớn. Phương pháp mới mang lại thêm một "đòn bẩy" giúp các nhà nghiên cứu tiến gần hơn tới việc hiện thực hóa các công nghệ lượng tử.

Điểm đặc biệt của nghiên cứu là khả năng thay đổi liên tục cấu trúc vật liệu. Trong nhiều thí nghiệm trước đây, các nhà khoa học thường tạo ra một mẫu vật liệu với góc xoắn cố định rồi tiến hành đo đạc. Trong khi đó, nhóm nghiên cứu tại UTS có thể nhiều lần tách, xoay và ghép lại các lớp hBN, qua đó theo dõi trực tiếp tác động của từng góc xoắn lên đặc tính lượng tử của vật liệu.

Để dễ hình dung, TS. Gale ví hBN giống như một chồng những lát phô mai mỏng. Nếu một khối vật liệu đặc rất khó thay đổi cấu trúc bên trong, thì các lớp vật liệu dạng lát có thể được tách ra và sắp xếp lại theo nhiều cách khác nhau. Chính sự thay đổi trong cách các lớp tương tác với nhau đã làm xuất hiện những tính chất mới.

Trong những năm gần đây, các vật liệu hai chiều và cấu trúc “xoắn” đã trở thành một trong những hướng nghiên cứu thu hút sự chú ý của ngành vật lý vật liệu. Các nhà khoa học phát hiện rằng, chỉ cần thay đổi một góc xoắn rất nhỏ giữa hai lớp vật liệu nguyên tử cũng có thể tạo ra những hiện tượng hoàn toàn khác biệt, từ tính siêu dẫn đến các trạng thái lượng tử đặc biệt.

Nghiên cứu mới cho thấy nguyên lý này cũng có thể được khai thác để điều khiển các nguồn phát ánh sáng lượng tử. Điều đó đặc biệt quan trọng bởi các hệ thống lượng tử tương lai đòi hỏi khả năng tạo ra những photon có đặc tính chính xác và ổn định.

Theo GS. Igor Aharonovich, đồng tác giả nghiên cứu, việc ghép các lớp vật liệu ở những góc nhất định có thể tạo nên những hệ vật liệu với hành vi hoàn toàn khác so với từng lớp riêng lẻ. Đây là một trong những lý do khiến các vật liệu phân lớp đang thu hút sự quan tâm lớn trong cộng đồng nghiên cứu lượng tử.

Dù còn ở giai đoạn nghiên cứu cơ bản, kết quả này mở ra thêm một công cụ mới để kiểm soát các “khối xây dựng” của công nghệ lượng tử. Trong tương lai, những nguồn phát ánh sáng có thể điều chỉnh linh hoạt bằng góc xoắn vật liệu có thể được ứng dụng trong máy tính lượng tử, các hệ thống liên lạc có độ bảo mật cao và cảm biến siêu nhạy phục vụ y tế, định vị hay an ninh mạng.

Con đường đưa công nghệ lượng tử từ phòng thí nghiệm đến đời sống thực tế vẫn còn nhiều thách thức. Tuy nhiên, nghiên cứu đã cho thấy, đôi khi một thay đổi rất nhỏ ở cấp độ nguyên tử cũng có thể tạo ra những khác biệt lớn, mở ra những hướng đi mới cho các công nghệ của tương lai./.