Bước đột phá trong chế tạo chip lượng tử với nguồn sáng mới

Chip lượng tử có khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp nhanh hơn theo cấp số nhân so với tính toán thông thường dựa trên điện tử, nhưng các nhà khoa học phải vật lộn để chế tạo các thành phần cần thiết cho một mạch tích hợp.

Một nhóm nghiên cứu ở Trung Quốc cho biết đã tạo ra một trong những thành phần đó là nguồn sáng lượng tử bằng cách sử dụng gallium nitride (GaN) - chất bán dẫn được dùng trong các điốt phát sáng màu xanh nhiều thập kỷ.

Mạch tích hợp là tập các mạch điện chứa các linh kiện bán dẫn (như transistor) và linh kiện điện tử thụ động (như điện trở) được kết nối với nhau, để thực hiện được một chức năng xác định. Mạch tích hợp được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, từ máy tính, smartphone, tivi, đến các thiết bị gia dụng như lò vi sóng, máy giặt, tủ lạnh.

Nguồn sáng lượng tử có “tiềm năng đáng chú ý” để chế tạo các chip lượng tử nhỏ và mạnh mẽ, theo nhóm nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Trung Quốc (UETC), Đại học Thanh Hoa cùng Viện Vi hệ thống và Công nghệ thông tin Thượng Hải.

Nguồn sáng này tạo ra các cặp hạt ánh sáng lượng tử mà theo đó có thể được sử dụng để mang thông tin.

So với các nguồn ánh sáng lượng tử hiện có dựa trên vật liệu như silicon nitride và indium phosphide, nguồn sáng lượng tử sử dụng gallium nitride có dải bước sóng rộng hơn nhiều và có thể được sử dụng để chế tạo các thành phần chính khác của mạch lượng tử, nhóm nghiên cứu báo cáo trên tạp chí Physical Review Letters.

“Chúng tôi chứng minh rằng gallium nitride là một nền tảng vật liệu lượng tử tốt cho thông tin quang tử lượng tử, trong đó việc tạo ra ánh sáng lượng tử là rất quan trọng. Nền tảng gallium nitride mang lại triển vọng đầy hứa hẹn cho việc phát triển chip quang tử lượng tử trong tương lai gần”, tác giả chính Zhou Qiang từ UESTC nói.

Nhóm các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã làm sáng tỏ tiềm năng của gallium nitride trong chế tạo chip lượng tử - Ảnh: Shutterstock

Chuyên gia quang tử lượng tử Thomas Walther từ Đại học Kỹ thuật Darmstadt (Đức) phát biểu rằng công trình trên là “một bước tiến lớn” vì có thể cắt giảm chi phí chế tạo những hệ thống như vậy, làm cho chúng nhỏ gọn và chắc chắn hơn nhiều so với hiện nay.

Trong thí nghiệm của họ, Zhou Qiang và các đồng nghiệp lần đầu tiên tạo ra một màng mỏng gallium nitride dựa trên lớp sapphire. Sau đó, họ khắc một vòng trong màng có đường kính 120 micromet, cho phép các hạt ánh sáng từ chùm tia laser di chuyển xung quanh vòng.

Khi các nhà nghiên cứu đưa ánh sáng laser hồng ngoại vào màng gallium nitride, một số hạt ánh sáng bị giữ lại và trở nên “cộng hưởng” theo cặp.

Do một hiệu ứng gọi là trộn bốn sóng tự phát, một số cặp cộng hưởng đã tạo ra một cặp hạt ánh sáng mới liên kết với nhau một cách đặc biệt.

Mức độ liên kết do vòng gallium nitride tạo ra “có thể so sánh” với mức độ đo được ở các nguồn sáng lượng tử khác, Zhou Qiang nói.

Phạm vi bước sóng đầu ra cũng mở rộng từ 25,6 nanomet với các vật liệu trước đó lên 100 nanomet trên nguồn sáng lượng tử sử dụng gallium nitride.

“Bằng cách cung cấp nhiều tài nguyên bước sóng hơn, chúng tôi sẽ có thể đáp ứng nhu cầu của nhiều người dùng hơn với mong muốn truy cập vào mạng lượng tử thông qua các bước sóng khác nhau”, Zhou Qiang nói với Nhật báo Khoa học và Công nghệ.

Theo nhóm nghiên cứu, ngoài nguồn ánh sáng lượng tử, gallium nitride còn là vật liệu đầy hứa hẹn để chế tạo các thành phần khác của mạch lượng tử, gồm cả máy dò laser và máy dò hạt ánh sáng.

Họ cho biết: “So với các nền tảng hiện có, nền tảng gallium nitride có triển vọng đáng kể cho việc chế tạo các mạch tích hợp quang tử lượng tử trên chip toàn diện”.

Gallium nitride là một hợp chất hóa học vô cơ, đồng thời là một chất bán dẫn năng lượng. Hợp chất này có thành phần chính gồm hai nguyên tố gali và nitơ, với công thức hóa học được quy định là GaN. Gallium nitride là hợp chất có nhiều ứng dụng, thường sử dụng trong các điốt phát sáng kể từ những năm 1990.

Đặc điểm của gallium nitride

Độ cứng cao: gallium nitride có cấu trúc tinh thể Wurtzite, khiến nó trở thành một trong những vật liệu cứng nhất thế giới.

Điểm nóng chảy cao: gallium nitride có điểm nóng chảy cao (khoảng 2.500 °C), cho phép nó được sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt.

Độ rộng vùng cấm lớn: gallium nitride có độ rộng vùng cấm lớn (khoảng 3,4 eV), cao hơn nhiều so với silicon (khoảng 1,1 eV). Điều này khiến gallium nitride trở thành một vật liệu bán dẫn lý tưởng cho các ứng dụng quang điện tử, chẳng hạn như LED và laser.

Khả năng dẫn nhiệt tốt: gallium nitride có khả năng dẫn nhiệt tốt, giúp nó có thể tản nhiệt hiệu quả.

Ứng dụng của gallium nitride

Điốt phát sáng (LED): gallium nitride là vật liệu chính được sử dụng trong các LED màu xanh, xanh lá cây và tím. Các LED gallium nitride có hiệu suất cao, tuổi thọ dài và tiêu thụ ít năng lượng hơn so với các bóng đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang.

Laser: gallium nitride cũng được sử dụng để chế tạo các laser bán dẫn màu xanh, xanh lá cây và tím. Các laser gallium nitride có kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao và tuổi thọ dài.

Bộ khuếch đại công suất: gallium nitride được sử dụng trong các bộ khuếch đại công suất cho các trạm gốc di động và ứng dụng truyền thông khác. Nó có thể cung cấp công suất cao hơn và hiệu suất cao hơn so với các bộ khuếch đại dựa trên silicon.

Mạch tích hợp quang tử lượng tử: gallium nitride là một vật liệu đầy hứa hẹn cho việc chế tạo các mạch tích hợp quang tử lượng tử, có thể được sử dụng để chế tạo máy tính lượng tử và các thiết bị truyền thông lượng tử.

Tóm lại, gallium nitride là một vật liệu bán dẫn có nhiều đặc tính ưu việt, khiến nó trở thành một vật liệu quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghệ.

Ngoài ra, gallium nitride cũng là một vật liệu tương đối mới và giá thành còn cao. Song với sự phát triển của công nghệ, giá thành của gallium nitride dự kiến sẽ giảm trong tương lai, giúp nó trở nên phổ biến hơn trong nhiều ứng dụng.

Nguồn: Bước đột phá trong chế tạo chip lượng tử với nguồn sáng mới

Sơn Vân

1thegioi.vn