Nghiên cứu đột phá để tăng tốc công nghệ lượng tử dựa trên kim cương tổng hợp

Hai nghiên cứu đột phá mới sẽ tăng tốc sự phát triển của công nghệ lượng tử dựa trên kim cương tổng hợp, giúp cải thiện khả năng mở rộng và giảm đáng kể chi phí sản xuất.

Phần cứng máy tính và điện thoại di động thường dựa trên silicon, nhưng kim cương có các tính chất đặc biệt khiến nó trở nên hữu ích làm cơ sở cho các công nghệ lượng tử như máy tính lượng tử, truyền thông an toàn và cảm biến.

Có hai rào cản chính đối với phương pháp này. Thứ nhất, việc tạo ra lớp kim cương đơn tinh thể rất khó, với độ dày nhỏ hơn một triệu lần so với một mét, và thứ hai, chi phí rất cao.

Nghiên cứu mới

Hai nghiên cứu mới từ Trung tâm xuất sắc về Quang học chuyển đổi của Đại học Công nghệ Sydney (UTS) đã được công bố gần đây, giải quyết các vấn đề này. Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Igor Aharonovich dẫn đầu, và các bài báo được công bố trên Nanoscale và Advanced Quantum Technologies.

“Để kim cương được sử dụng trong các ứng dụng lượng tử, chúng ta cần phải thiết kế chính xác ‘khuyết tật quang’ trong các thiết bị kim cương – các cấu trúc photon và dẫn sóng – để kiểm soát, điều khiển và đọc thông tin dưới dạng qubit – phiên bản lượng tử của bit máy tính cổ điển,” Giáo sư Aharonovich cho biết.

“Điều này tương tự như việc cắt các lỗ hoặc tạo ra các rãnh trong một tấm kim cương rất mỏng, để đảm bảo ánh sáng di chuyển và phản xạ theo hướng mong muốn,” ông tiếp tục.

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra các cấu trúc photon tinh thể một chiều bằng cách phát triển một phương pháp mặt nạ cứng mới, dựa trên một lớp vonfram mỏng để tạo mẫu nano cấu trúc kim cương.

Ứng viên tiến sĩ Blake Regan của UTS là tác giả chính của bài báo trên Nanoscale.

“Sử dụng vonfram làm mặt nạ cứng giải quyết một số hạn chế của việc chế tạo kim cương. Nó hoạt động như một lớp dẫn điện đồng nhất để cải thiện tính khả thi của công nghệ lithography chùm electron ở độ phân giải nano,” Regan cho biết.

Theo Regan, nhóm nghiên cứu đang cung cấp bằng chứng đầu tiên về sự phát triển của một cấu trúc kim cương đơn tinh thể từ một vật liệu đa tinh thể thông qua một phương pháp tiếp cận từ dưới lên.

“Nó cũng cho phép chuyển giao các thiết bị kim cương sau khi chế tạo lên chất nền mong muốn trong điều kiện môi trường. Và quá trình này có thể được tự động hóa thêm, để tạo ra các thành phần mô-đun cho mạch quang photon dựa trên kim cương,” ông tiếp tục.

Lợi thế của phương pháp mới

Lớp vonfram rộng 30nm, mỏng hơn khoảng 10.000 lần so với một sợi tóc người. Mặc dù vậy, nó đã cho phép tạo ra một lớp kim cương với độ sâu hơn 300nm, một kỷ lục về độ chọn lọc cho quá trình xử lý kim cương.

Một trong những lợi thế lớn khác của phương pháp này là việc loại bỏ mặt nạ vonfram không cần sử dụng axit hydrofluoric, một loại axit cực kỳ nguy hiểm hiện đang được sử dụng. Do đó, sự an toàn và khả năng tiếp cận của quá trình chế tạo nano kim cương đã được cải thiện đáng kể.

Để cải thiện chi phí và khả năng mở rộng, nhóm nghiên cứu đã tạo ra các cấu trúc photon kim cương đơn tinh thể với các khuyết tật lượng tử nhúng từ một chất nền đa tinh thể.

Ứng viên tiến sĩ Milad Nonahal của UTS là tác giả chính của nghiên cứu được công bố trên Advanced Quantum Technologies.

“Theo kiến thức của chúng tôi, chúng tôi cung cấp bằng chứng đầu tiên về sự phát triển của một cấu trúc kim cương đơn tinh thể từ một vật liệu đa tinh thể bằng cách tiếp cận từ dưới lên – giống như việc trồng hoa từ hạt,” ông thêm.

Tiến sĩ Mehran Kianinia của UTS là tác giả senior của nghiên cứu thứ hai.

“Phương pháp của chúng tôi loại bỏ nhu cầu về vật liệu kim cương đắt tiền và việc sử dụng cấy ion, điều này là then chốt để tăng tốc quá trình thương mại hóa phần cứng lượng tử dựa trên kim cương” Kianinia cho biết.