Các nhà khoa học NIST phát triển laser 'bước sóng tùy ý'

• Trong chip photonics tích hợp, đã hiện thực hóa một cấu trúc có thể biến đổi một màu laser thành nhiều dải ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại khác nhau, đồng thời tạo ra các bước sóng riêng biệt chỉ bằng thiết kế mạch
• Áp dụng phương pháp xếp chồng 3D lithium niobate và tantala trên wafer silicon, cho phép xử lý đồng thời việc chuyển đổi màu ánh sáng và điều khiển điện trên cùng một chip
• Đồng hồ lượng tử và máy tính lượng tử cần những màu laser cụ thể phù hợp với từng loại nguyên tử, nhưng kích thước, chi phí và mức tiêu thụ điện của thiết bị hiện có là rào cản lớn đối với việc triển khai thực tế
• Trên một wafer đã tích hợp khoảng 50 chip cỡ móng tay và tổng cộng 10.000 mạch photonic; mỗi mạch phát ra một màu khác nhau, và trong phòng thí nghiệm đã xác nhận hoạt động biến đổi hồng ngoại thành ánh sáng nhìn thấy
• Việc có được lộ trình chế tạo có thể dẫn tới các hệ thống dựa trên photon giá rẻ và di động làm nổi bật khả năng mở rộng ứng dụng không chỉ trong công nghệ lượng tử mà còn ở truyền thông giữa các chip cho AI và màn hình thực tế ảo

---

Tiến bộ của mạch photonics tích hợp

• Bằng cách xếp chồng các hoa văn phức tạp từ vật liệu đặc biệt lên wafer silicon, đã tạo ra chip photonics có thể di chuyển ánh sáng và xử lý thông tin giống như chip điện tử
  • Con chip này sử dụng các phần tử quang học như laser, ống dẫn sóng, bộ lọc và công tắc để truyền và xử lý ánh sáng bên trong mạch
  • Có thể hỗ trợ các công nghệ mới nổi như trí tuệ nhân tạo, máy tính lượng tử và đồng hồ nguyên tử quang học
• Các mạch sử dụng photon thay vì electron có những đặc tính khác biệt trong truyền và xử lý thông tin
  • Photon di chuyển qua mạch nhanh hơn nhiều so với electron
  • Ánh sáng laser là thành phần thiết yếu để điều khiển các công nghệ lượng tử như đồng hồ nguyên tử quang học và máy tính lượng tử
• Một trong những trở ngại chính đối với sự phổ biến của photonics tích hợp là giới hạn bước sóng laser
  • Laser chất lượng cao, kích thước nhỏ và hiệu suất cao chỉ tồn tại ở một số ít bước sóng
  • Laser bán dẫn đặc biệt phù hợp để tạo ra ánh sáng hồng ngoại 980 nanomet, màu nằm ngay ngoài vùng nhìn thấy của mắt người
• Đồng hồ nguyên tử quang học và máy tính lượng tử cần laser với nhiều màu khác nhau
  • Các laser hiện có để tạo ra những màu đó có kích thước lớn, đắt tiền và tiêu thụ nhiều điện, khiến các công nghệ lượng tử này trên thực tế bị giới hạn trong một số ít phòng thí nghiệm chuyên biệt
• Nếu tích hợp laser vào mạch chip, có thể kỳ vọng chuyển sang công nghệ lượng tử rẻ hơn và di động hơn
  • Mở ra khả năng mở rộng sang các ứng dụng thực tế ngoài phòng thí nghiệm

Phương pháp xếp chồng nhiều lớp

• Chip photonics mới được chế tạo theo cấu trúc xếp lớp
  • Điểm khởi đầu là wafer silicon tiêu chuẩn được phủ silicon dioxide (thủy tinh) và lithium niobate có thể thay đổi màu của ánh sáng đi vào
• Bổ sung các mảnh kim loại để có thể điều khiển bằng điện cách mạch chuyển đổi ánh sáng từ màu này sang màu khác
  • Tạo ra giao diện kim loại-lithium niobate riêng biệt để thực hiện chức năng bật/tắt ánh sáng nhanh bên trong mạch
  • Khả năng này là yếu tố cốt lõi của xử lý dữ liệu và định tuyến tốc độ cao
• Ở lớp trên cùng, áp dụng vật liệu phi tuyến thứ hai là tantalum pentoxide (tantala)
  • Tantala có thể nhận một màu laser đầu vào rồi chuyển đổi thành toàn bộ dải màu cầu vồng nhìn thấy và một phạm vi rộng bước sóng hồng ngoại
  • Trong nhiều năm, nhóm đã phát triển công nghệ chế tạo mạch bằng vật liệu này mà không cần gia nhiệt, nhờ đó có thể lắng đọng lên vật liệu khác mà không gây hư hại
• Bằng cách tạo hoa văn cho các vật liệu khác nhau theo kiểu xếp chồng 3D, đã chế tạo được một chip đơn có khả năng định tuyến ánh sáng hiệu quả giữa các lớp
  • Kết hợp khả năng chuyển đổi ánh sáng của tantala với tính điều khiển của lithium niobate
  • Điểm mạnh then chốt là tantala có thể được bổ sung vào các mạch hiện có
• Trên một wafer đã tích hợp khoảng 50 chip cỡ móng tay và tổng cộng 10.000 mạch photonic
  • Mỗi mạch phát ra một màu riêng biệt khác nhau
  • Có thể tạo ra nhiều màu đa dạng chỉ bằng thiết kế mạch

Nhu cầu laser tùy chỉnh theo bước sóng

• Đồng hồ lượng tử và máy tính lượng tử thường sử dụng mảng nguyên tử để lưu trữ và xử lý thông tin
  • Mỗi loại nguyên tử cần laser phù hợp với mức năng lượng lượng tử bên trong của nó
• Nguyên tử rubidium phản ứng với ánh sáng đỏ 780 nanomet
  • Đây là ví dụ về loại nguyên tử thường được dùng trong máy tính lượng tử và đồng hồ
• Nguyên tử strontium phản ứng với ánh sáng xanh 461 nanomet
  • Nếu chiếu ánh sáng màu khác thì sẽ không có phản ứng nào
• Kích thước, chi phí và độ phức tạp của các laser hiện có để tạo ra những màu tùy chỉnh này là rào cản chính đối với việc triển khai máy tính lượng tử và đồng hồ quang học tại hiện trường
  • Đây là yếu tố hạn chế lớn khi đưa chúng ra khỏi môi trường phòng thí nghiệm

Khả năng ứng dụng

• Các đồng hồ quang học giá rẻ, tiêu thụ điện thấp và có thể mang theo có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
  • Có thể hỗ trợ dự đoán phun trào núi lửa và động đất
  • Có thể trở thành giải pháp thay thế GPS trong định vị và dẫn đường
  • Có thể hỗ trợ khám phá những bí ẩn khoa học như bản chất của vật chất tối
• Máy tính lượng tử có thể cung cấp những cách tiếp cận mới cho nghiên cứu vật lý và hóa học của thuốc và vật liệu
• Ứng dụng của mạch photonic tích hợp không chỉ giới hạn ở công nghệ lượng tử
  • Có thể giúp truyền tín hiệu hiệu quả giữa các chip chuyên dụng mà các công ty công nghệ sử dụng
  • Có thể góp phần làm cho các công cụ dựa trên AI mạnh hơn và hiệu quả hơn
• Các công ty công nghệ cũng quan tâm đến việc sử dụng photonics để cải thiện màn hình thực tế ảo

Con đường thương mại hóa

• Hiện tại chip này vẫn chưa sẵn sàng cho sản xuất hàng loạt
  • Tuy nhiên, bản thân kỹ thuật chế tạo đã cung cấp con đường cho giai đoạn tiếp theo
• Đang hợp tác với Octave Photonics để mở rộng công nghệ
  • Startup có trụ sở tại Louisville, bang Colorado
  • Được thành lập bởi các cựu nhà nghiên cứu NIST và đang tiến hành mở rộng quy mô công nghệ

Đặc điểm thị giác và thực nghiệm

• Bên trong con chip hình chữ nhật nhỏ cỡ móng tay được tích hợp nhiều mạch có khả năng thay đổi màu ánh sáng laser
  • Trong ảnh có một mạch biến đổi ánh sáng hồng ngoại vốn không nhìn thấy thành ánh sáng xanh có thể nhìn thấy
  • Một đồng xu dime được dùng để so sánh kích thước
• Chip dựa trên quang học phi tuyến có thể chứa laser với hàng chục màu khác nhau
• Trong phòng thí nghiệm, đã xác nhận chip nhận ánh sáng vô hình và tạo ra nhiều ánh sáng nhìn thấy
  • Đây là hình ảnh trực quan cho thấy khả năng ứng dụng đa dạng trong một chip tích hợp duy nhất

[GN⁺]

Ý kiến trên Hacker News

• Đừng chỉ nói về magenta hay màu nâu; ngay bây giờ cũng có thể thấy màu ảo giác mà không cần laser. Nếu làm theo bài viết này, bạn sẽ có trải nghiệm nhìn thấy một thứ gì đó như màu turquoise siêu cấp

  • Tôi thấy ngay bản thân khái niệm tần số của màu sắc và ánh sáng đã cực kỳ cuốn hút. Suy cho cùng, ánh sáng chỉ là một tín hiệu vật lý, nhưng trải nghiệm chủ quan của chúng ta về màu sắc thì phong phú hơn nhiều. Màu đỏ mà tôi thấy và màu đỏ mà người khác cảm nhận có thể thật ra khác nhau, nhưng cả hai vẫn gọi đó là màu đỏ và gắn nó với những ý nghĩa như lửa, tình yêu, nhiệt, nguy hiểm; điều đó đặc biệt thú vị
  • Với tôi, ngày nào học được điều gì mới về màu sắc thì đó là một ngày tốt. Trivia về màu sắc tôi thích nhất là không tồn tại ánh sáng đơn sắc màu hồng. Màu hồng phải được tạo ra bằng cách trộn hai đầu của quang phổ khả kiến, tức là ánh đỏ và ánh tím, nên nói nghiêm ngặt thì trong cầu vồng không có màu hồng
  • Tôi bị đau nửa đầu mắt/võng mạc, nên muốn báo trước rằng các thí nghiệm thị giác trong bài này có thể không phù hợp với những người như vậy
  • Tôi thấy bài viết bảo “cứ nhìn chằm chằm vào chấm đó, một phút là đủ”, nên tôi thử rồi, nhưng thật lòng cảm giác như chỉ phí thời gian
  • Tôi có cảm giác điều này phần nào giải thích hiện tượng nhìn thấy khi trip với acid

• Tôi nghĩ cách bài báo nói kiểu “photon đi qua mạch nhanh hơn electron rất nhiều” có thể hơi gây hiểu lầm. Bản thân electron không di chuyển với tốc độ ánh sáng, nhưng việc truyền thông tin điện đã diễn ra gần với tốc độ ánh sáng rồi. Vì vậy tôi nghĩ điểm cải thiện hiệu năng tính toán có lẽ nằm ở băng thông hơn là độ trễ

  • Theo hiểu biết của tôi, trong mạch điện, thông tin được truyền qua điện trường chứ không phải bằng cách một đám electron tự mình chạy đi, và tốc độ lan truyền đó gần với tốc độ ánh sáng
  • Theo những gì tôi biết thì cáp Cat6 vào khoảng 0.6c, và tùy loại cáp có thể nhanh hơn một chút. Cáp quang cũng vì chiết suất của lõi nên tốc độ ánh sáng vào khoảng 0.6c

• Tôi cảm thấy nếu ai đó có thể giải thích dễ hiểu xem photonic computing ở đây có thật sự có nội dung cụ thể gì không thì sẽ rất tốt

  • Theo tôi thì có một lợi thế hiện ra khá rõ. Trong truyền thông quang, có thể nhét nhiều màu ánh sáng hơn rất nhiều vào một sợi quang, và mỗi màu có thể mang điều chế hàng chục GHz, nên vẫn còn rất nhiều băng thông chưa được dùng tới. Ngoài ra, nếu có thể chỉnh bước sóng laser thật chính xác thì còn có thể làm hóa học phân tử khớp với các mức năng lượng liên kết cụ thể, và cả cắt hay hàn laser cũng có thể tiến bộ theo hướng chọn bước sóng hiệu quả hơn
  • Theo tôi, điểm cốt lõi là họ đã có được cách chế tạo linh kiện tạo ra tần số quang học mong muốn. Cho tới nay, laser đủ rẻ, nhỏ và hiệu quả để đưa lên chip chỉ khả thi ở một số bước sóng nhất định, nên đây là việc giảm bớt ràng buộc đó. Cách bài báo mô tả có hơi cường điệu, nhưng trong bài báo khoa học cũng có số liệu hiệu suất, ví dụ như bơm 35mW ở 485nm để nhận đầu ra 6mW. Đặc biệt trong truyền thông quang đa mode, có vẻ điều này có thể mở ra khả năng tăng băng thông bằng cách dùng nhiều tần số hơn, hoặc làm thiết bị nhỏ hơn, rẻ hơn và hiệu quả hơn
  • Tôi xem chuyện này khá giống nghiên cứu cơ bản nói chung. Trước khi được dùng để giải quyết vấn đề thực tế thì gần như không thể dự đoán trước giá trị của nó sẽ lớn đến đâu. Ngay cả toán học rất trừu tượng về sau cũng từng trở thành những ngành công nghiệp khổng lồ. Dù vậy, rõ ràng điều khiển bước sóng laser là cốt lõi của công nghệ truyền thông hiện đại, nên tôi không nghĩ kỹ thuật này sẽ kết thúc trong vô dụng
  • Tôi nghĩ việc này thậm chí có thể trực tiếp hơn với điện toán lượng tử. Trong bẫy ion, việc chọn ion nào cuối cùng liên quan đến chuyện có thể tạo ổn định bước sóng nào, mà hiện giờ sự lựa chọn thường bị kéo về các bước sóng dễ xử lý bằng laser telecom đã chỉnh sửa. Nếu có thể điều chỉnh bước sóng laser tự do đến mức này thì ràng buộc đó có thể biến mất, và biết đâu sẽ cho phép chọn những ion có đặc tính khác
  • Tôi không phải chuyên gia trong lĩnh vực này, nhưng cảm giác là có vài điều kiện cốt lõi. Trước hết phải có khả năng tạo bước sóng tùy ý, tiếp theo là phải đo được bước sóng đó thật chính xác, và cũng cần những thứ như cổng holographic hoạt động không quá nhạy với tần số. Nếu có đủ các điều đó thì năng lực tính toán rốt cuộc sẽ được quyết định bởi khả năng phân biệt các bước sóng khác nhau. Về lý thuyết, có thể đi đến mức đã thực hiện được nhiều phép tính hơn nhưng lại không thể phát hiện ra, dẫn tới những câu hỏi khá mang tính triết học

• Tôi nghĩ nếu chi phí cuối cùng chấp nhận được thì đây chắc chắn là tin đáng mừng cho điện toán lượng tử bẫy ion. Bước sóng laser cần để giữ ion phụ thuộc vào phân tử hay loài được chọn, còn thiết bị hiện nay thì đắt, nhạy, khó hiệu chuẩn, và nếu dùng laser thuốc nhuộm thì còn khá phiền phức

  • Tôi nghĩ điều này cũng áp dụng với phía nguyên tử trung hòa. Để bơm nguyên tử lên trạng thái Rydberg thì cần ánh sáng khá sạch

• Tôi sẽ rất hào hứng nếu trong tương lai xuất hiện loại màn hình mới không còn bị mắc kẹt trong tam giác dải màu của các màu cơ bản RGB, mà bản thân các màu cơ bản có thể thay đổi động để hiển thị gần như mọi màu

  • Tôi chỉ đơn giản là muốn mọi màu. Nếu có thể, tôi còn muốn có luôn cả phân bố phổ đầy đủ
  • Tôi thấy ý tưởng đó rất hay, nhưng rồi lại tò mò không biết sẽ mã hóa dữ liệu hình ảnh theo cách nào

• Tôi muốn chia sẻ rằng bài báo gốc ở đây

• Tôi cảm thấy tiêu đề hơi dễ gây hiểu lầm. Đây có vẻ không phải một bộ tính toán đa dụng thực sự, mà đúng hơn là câu chuyện dùng nhiều hiệu ứng quang học phi tuyến để thực hiện một kiểu tính toán nào đó trên tần số đầu vào laser trong quang học tích hợp

  • Tôi không hẳn nhìn như vậy. Điều họ trình diễn trong thí nghiệm thực chất gần như là một supercontinuum source bao phủ “gần như mọi bước sóng”, và riêng việc hiện thực hóa nó trên chip tích hợp cũng đã khá ấn tượng

• Nghĩ tới chuyện electron mất 60 năm để đi từ con chip đến thiết bị thông minh, tôi cảm thấy nếu photon đi theo con đường tương tự thì chúng ta mới chỉ vừa bắn phát súng xuất phát. Đặc biệt, việc tantala có thể nhận một màu laser đơn rồi trải nó ra gần như cả cầu vồng thật sự rất thú vị

• Tôi nhớ ra là Hải quân Mỹ từ lâu đã nghiên cứu free electron laser như một kiểu chén thánh. Có thể xem ví dụ liên quan trong thông cáo báo chí của Boeing

• Cứ nghe nói tới “laser thật sự có thể ra bất kỳ bước sóng nào” là tôi lại nghĩ tới những thứ như gamma-ray laser. Thực tế thì không dễ, nhưng cảm giác vẫn rất muốn có nó

  • Nhờ vậy tôi cũng được giải đáp rằng thứ đó thật sự được gọi là graser. Mặt khác, với cảm tính của một độc giả SF, tôi cũng hơi mong thuật ngữ đó một ngày nào đó sẽ được để dành cho thứ gì như máy phát dao động sóng hấp dẫn