Ánh sáng laser bước đi lượng tử trong vi mạch – Vật lý Thế giới

Các nhà nghiên cứu tại ETH Zürich ở Thụy Sĩ đã biến đổi một tia laser vi mạch phát ra một tần số (hoặc màu) ánh sáng duy nhất thành một tia laser phát ra ánh sáng trên một dải tần số rộng. Thiết bị lược quang mới, hoạt động nhờ một quá trình được gọi là bước đi lượng tử, có thể được sử dụng để chế tạo các cảm biến quang thu nhỏ để theo dõi môi trường và y tế cũng như tăng tốc độ truyền dữ liệu trong viễn thông.

Được dẫn dắt bởi nhà vật lý Jérôme Faist, Các nhà nghiên cứu ETH bắt đầu bằng tia laser tầng lượng tử được tích hợp vào một vi mạch. Thiết bị này bao gồm một cấu trúc vi vòng được tạo thành từ các lớp arsenide, gali, indium và nhôm. Vòng giới hạn và dẫn hướng ánh sáng và khi được kết nối với nguồn điện trực tiếp, các electron trong đó được kích thích để nhanh chóng nhảy qua các lớp khác nhau, phát ra một loạt photon. Khi các photon chuyển động trong vòng, chúng nhân lên, tạo ra ánh sáng laser kết hợp với một tần số duy nhất.

Faist và các đồng nghiệp nhận thấy rằng nếu họ kích thích hệ thống này bằng một dòng điện xoay chiều bổ sung dao động ở một tần số cộng hưởng nhất định, thì ánh sáng phát ra sẽ chuyển từ một màu sang nhiều màu trong khoảng thời gian chỉ vài nano giây. Đáng chú ý, trước khi nó ổn định ở dạng cuối cùng, quang phổ của ánh sáng phát ra giống với chuyển động của cái gọi là bước đi lượng tử.

Bước đi lượng tử của tia laser

Lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà vật lý và người đoạt giải Nobel Richard Feynman, bước đi lượng tử rất khác với bước đi ngẫu nhiên cổ điển thường được sử dụng để mô hình hóa hành vi của các hệ vật lý, từ thị trường chứng khoán dao động đến chuyển động Brown của hạt phấn hoa trên bề mặt chất lỏng. Phương pháp đi bộ ngẫu nhiên cổ điển hoạt động giống như một người đi bộ đường dài bị lạc chọn bước đi tiếp theo bằng cách tung đồng xu. Ví dụ: nếu đồng xu rơi vào mặt ngửa, người đi bộ có thể bước một bước sang trái, trong khi mặt sấp có thể yêu cầu bước sang bên phải. Sau nhiều lần tung đồng xu, vị trí của người đi bộ sẽ ngẫu nhiên nhưng có thể gần với điểm xuất phát của họ.

Ngược lại, trong bước đi lượng tử, một hạt lượng tử di chuyển hiệu quả theo cả hai hướng cùng lúc sau mỗi lần ném, áp dụng sự chồng chất nhất quán của phải và trái. Điều này có nghĩa là luôn có một số con đường khả dĩ mà hạt có thể đi để đến vị trí cuối cùng của nó.

Quang phổ giống như chiếc lược quang học

Trong thiết bị mới, bước đi lượng tử này mang lại một kết quả đáng chú ý. Faist giải thích: “Các màu sắc (hoặc tần số) khác nhau bổ sung năng lượng cho ánh sáng phát ra và tạo ra quang phổ giống như chiếc lược quang học”. “Các tần số quang học cách đều nhau và số lượng của chúng được chọn bởi tần số và biên độ của tín hiệu dao động điện gửi tới tia laser.”

Bước đi ngẫu nhiên lượng tử đặt ra giới hạn cho sự chồng chất

Về ứng dụng, các nhà nghiên cứu cho biết cảm biến quang học thu nhỏ để theo dõi môi trường và y tế là một khả năng có thể thực hiện được. Về lâu dài, Faist cho biết thêm rằng những thiết bị như vậy có thể tăng tốc độ truyền dữ liệu cho truyền thông quang học, vì mỗi màu ánh sáng mà tia laser phát ra – tổng cộng lên tới 100 màu – có thể đóng vai trò như một kênh liên lạc độc lập.

Các nhà nghiên cứu báo cáo phát hiện của họ trong Khoa học.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/laser-light-goes-for-a-quantum-walk-in-a-microchip/