Bước tiến đột phá: Thu nhỏ phòng thí nghiệm lượng tử vào chip

Các nhà nghiên cứu tại UCSB giờ đây đã có thể thực hiện các thí nghiệm lượng tử trên một con chip. Ảnh: Andrey Suslov/iStock

Thí nghiệm lượng tử truyền thống đòi hỏi môi trường nhiệt độ cực thấp, gần bằng không độ tuyệt đối, và sử dụng hệ thống quang học cồng kềnh được gọi là bẫy từ-quang học 3 chiều (3D-MOT). Những hệ thống này, với laser, thấu kính, gương và cuộn dây từ tính, chỉ có thể hoạt động trong điều kiện phòng thí nghiệm, giới hạn nghiêm trọng khả năng ứng dụng trong thế giới thực.

Nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Daniel Blumenthal đã phát triển PICMOT (bẫy từ-quang học 3D tích hợp photonic), một thiết bị thu nhỏ có thể phân phối chùm ánh sáng để làm lạnh nguyên tử trên một con chip. Thành tựu này đã trở thành hiện thực nhờ sử dụng nền tảng tích hợp ống dẫn sóng silicon nitride tổn thất thấp, cho phép tạo ra laser, bộ điều biến và bộ phát mạng khúc xạ diện tích lớn trên chip.

Một minh họa về bẫy rubidium 3D MOT của các nhà nghiên cứu, được chụp bởi một camera đặt ở bên cạnh thiết lập PICMOT. Điểm sáng tại giao điểm của các tia là một đám mây nguyên tử bị bẫy. Hình ảnh: UCSB

Một trong những thành tựu đáng chú ý nhất là khả năng định tuyến ánh sáng từ cáp quang mỏng hơn sợi tóc người đến ba bộ phát mạng khúc xạ, tạo ra ba chùm tia giao nhau. Mỗi chùm tia sau khi được phản chiếu lên chính nó tạo thành sáu chùm tia giao nhau, mỗi chùm có thể bẫy một triệu nguyên tử và làm lạnh chúng đến 250μK.

Đổi mới này hứa hẹn cách mạng hóa các lĩnh vực như đo thời gian chính xác, cảm biến lượng tử và máy tính lượng tử. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm phát hiện nhạy cảm chuyển động của sông băng hoặc hoạt động núi lửa, cải thiện độ chính xác của việc đo thời gian, và thực hiện các phép đo trong không gian mà không thể thực hiện được trên Trái đất.

Nghiên cứu này đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc biến công nghệ lượng tử từ những phòng thí nghiệm cồng kềnh thành các thiết bị nhỏ gọn, có khả năng ứng dụng rộng rãi trong thế giới thực.