Thiết bị quang tử mới phát ra ánh sáng hiệu quả vào không gian tự do

Thiết bị photon mới phát chùm ánh sáng hiệu quả vào không gian tự do

Chip photon sử dụng ánh sáng để xử lý dữ liệu thay vì điện, cho phép tốc độ liên lạc nhanh hơn và băng thông lớn hơn. Phần lớn ánh sáng đó thường ở lại trên chip, bị giữ trong các dây dẫn quang học và rất khó truyền ra thế giới bên ngoài một cách hiệu quả. Nếu một lượng lớn ánh sáng có thể được phát ra khỏi chip một cách nhanh chóng và chính xác, thoát khỏi sự ràng buộc của dây dẫn, nó có thể mở ra cánh cửa cho màn hình độ phân giải cao hơn, hệ thống Lidar nhỏ hơn, máy in 3D chính xác hơn hoặc máy tính lượng tử quy mô lớn hơn.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ MIT và các nơi khác đã phát triển một loại thiết bị photon mới cho phép phát sóng chính xác ánh sáng từ chip vào không gian tự do theo cách có thể mở rộng. Chip của họ sử dụng một loạt các cấu trúc vi mô uốn cong lên trên, giống như những chiếc cầu nhảy trượt tuyết nhỏ phát sáng. Các nhà nghiên cứu có thể kiểm soát cẩn thận cách ánh sáng được phát ra từ hàng nghìn cấu trúc nhỏ bé này cùng một lúc.

Họ đã sử dụng nền tảng mới này để chiếu các hình ảnh đầy màu sắc chi tiết, có kích thước bằng khoảng một nửa hạt muối ăn. Được sử dụng theo cách này, công nghệ này có thể hỗ trợ phát triển kính thực tế tăng cường nhẹ hoặc màn hình nhỏ gọn. Họ cũng đã chứng minh cách "cầu nhảy trượt tuyết" photon có thể được sử dụng để kiểm soát chính xác các bit lượng tử, hay qubit, trong hệ thống máy tính lượng tử.

“Trên chip, ánh sáng di chuyển trong dây dẫn, nhưng trong thế giới không gian tự do bình thường của chúng ta, ánh sáng di chuyển bất cứ nơi nào nó muốn. Giao tiếp giữa hai thế giới này từ lâu đã là một thách thức. Nhưng giờ đây, với nền tảng mới này, chúng tôi có thể tạo ra hàng nghìn chùm tia laser có thể điều khiển riêng lẻ, có thể tương tác với thế giới bên ngoài chip chỉ trong một lần,” Henry Wen, nhà khoa học nghiên cứu thỉnh giảng tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Điện tử (RLE) tại MIT, nhà khoa học nghiên cứu tại MITRE và đồng tác giả chính của một bài báo về nền tảng mới cho biết.

Ông cùng với đồng tác giả chính Matt Saha, của MITRE; Andrew S. Greenspon, nhà khoa học thỉnh giảng tại RLE và MITRE; Matthew Zimmermann, của MITRE; Matt Eichenfeld, giáo sư tại Đại học Arizona; tác giả cao cấp Dirk Englund, giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính của MIT và nhà nghiên cứu chính trong Nhóm Photonics Lượng tử và Trí tuệ Nhân tạo và RLE; cũng như những người khác tại MIT, MITRE, Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia và Đại học Arizona. Nghiên cứu xuất hiện hôm nay trên tạp chí Nature.

Nền tảng có thể mở rộng

Công trình này phát triển từ Chương trình Moonshot Lượng tử, một sự hợp tác giữa MIT, Đại học Colorado tại Boulder, Tập đoàn MITRE và Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia để phát triển một nền tảng máy tính lượng tử mới sử dụng các qubit dựa trên kim cương đang được phát triển trong phòng thí nghiệm Englund.

Các qubit dựa trên kim cương này được điều khiển bằng chùm tia laser và các nhà nghiên cứu cần một cách để tương tác với hàng triệu qubit cùng một lúc.

“Chúng tôi không thể kiểm soát một triệu chùm tia laser, nhưng chúng tôi có thể cần kiểm soát một triệu qubit. Vì vậy, chúng tôi cần một thứ gì đó có thể bắn các chùm tia laser vào không gian tự do và quét chúng trên một khu vực rộng lớn, giống như bắn súng phóng áo phông vào đám đông tại một sân vận động thể thao,” Wen nói.

Các phương pháp hiện có được sử dụng để phát sóng và điều khiển ánh sáng ra khỏi chip photon thường chỉ hoạt động với một vài chùm tia cùng một lúc và không thể mở rộng đủ để tương tác với hàng triệu qubit.

Để tạo ra một nền tảng có thể mở rộng, các nhà nghiên cứu đã phát triển một kỹ thuật chế tạo mới. Phương pháp của họ tạo ra các chip photon với các cấu trúc nhỏ uốn cong lên khỏi bề mặt chip để chiếu các chùm tia laser vào không gian tự do.

Họ đã xây dựng những "cầu nhảy trượt tuyết" nhỏ bé này cho ánh sáng bằng cách tạo ra các cấu trúc hai lớp từ hai vật liệu khác nhau. Mỗi vật liệu giãn nở khác nhau khi nguội đi từ nhiệt độ chế tạo cao.

Các nhà nghiên cứu đã thiết kế các cấu trúc với các mẫu đặc biệt trong mỗi lớp để khi nhiệt độ thay đổi, sự khác biệt về ứng suất giữa các vật liệu khiến toàn bộ cấu trúc uốn cong lên khi nguội đi.

Đây là hiệu ứng tương tự như trong một bộ điều nhiệt kiểu cũ, sử dụng một cuộn dây gồm hai vật liệu kim loại uốn cong và duỗi thẳng dựa trên nhiệt độ trong phòng, kích hoạt hệ thống HVAC. “Cả hai vật liệu này, silicon nitride và aluminum nitride, đều là những công nghệ riêng biệt. Việc tìm ra cách kết hợp chúng lại với nhau thực sự là một sự đổi mới trong chế tạo cho phép tạo ra các cầu nhảy trượt tuyết. Điều này sẽ không thể thực hiện được nếu không có những đóng góp tiên phong của Matt Eichenfield và Andrew Leenheer tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia,” Wen nói.

Trên chip, các ống dẫn sóng được kết nối dẫn ánh sáng đến các cấu trúc cầu nhảy trượt tuyết. Các nhà nghiên cứu sử dụng một loạt các bộ điều biến để nhanh chóng và chính xác kiểm soát cách bật và tắt ánh sáng đó, cho phép họ chiếu ánh sáng ra khỏi chip và di chuyển nó trong không gian tự do.

Vẽ bằng ánh sáng

Họ có thể phát sóng ánh sáng với các màu khác nhau và bằng cách điều chỉnh tần số của ánh sáng, họ có thể điều chỉnh mật độ của mẫu được phát ra. Bằng cách này, về cơ bản họ có thể vẽ tranh trong không gian tự do bằng ánh sáng.

“Hệ thống này ổn định đến mức chúng tôi thậm chí không cần sửa lỗi. Mẫu