Nghiên cứu đột phá sẽ đẩy nhanh công nghệ Quantum dựa trên kim cương tổng hợp

Hai đột phá nghiên cứu mới sẽ đẩy nhanh sự phát triển của công nghệ quantum dựa trên kim cương tổng hợp, điều này sẽ 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 silic, nhưng kim cương có các tính chất cụ thể làm cho nó hữu ích như một cơ sở cho các công nghệ quantum như máy tính quantum, truyền thông an toàn và cảm biến. 

Có hai rào cản chính đối với cách tiếp cận này. Đầu tiên, việc chế tạo lớp kim cương đơn tinh thể là khó khăn, và thứ hai, chi phí cao.

Các bài nghiên cứu mới

Hai bài nghiên cứu mới từ Trung tâm xuất sắc ARC về Quang học Meta-Transform tại Đại học Công nghệ Sydney (UTS) đã được xuất bản gần đây để giải quyết những vấn đề này. Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Igor Aharonovich dẫn đầu, và các bài báo được xuất bản trên Nanoscale và Advanced Quantum Technologies. 

“Để kim cương được sử dụng trong các ứng dụng quantum, chúng tôi cần phải chế tạo chính xác ‘khuyết tật quang’ trong các thiết bị kim cương — các hốc và sóng dẫn — để kiểm soát, điều khiển và đọc thông tin dưới dạng qubit — phiên bản quantum của bit máy tính cổ điển,” Giáo sư Aharonovich cho biết.

“Điều này tương tự như việc cắt các lỗ hoặc khắc các đường gully trên một tấm kim cương siêu mỏng, để đảm bảo ánh sáng di chuyển và bật theo hướng mong muốn,” ông tiếp tục.

Nhóm nghiên cứu đã có thể tạo ra các hốc tinh thể photon một chiều bằng cách phát triển một phương pháp mặt nạ cứng mới, dựa trên một lớp vonfram kim loại 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 nhược điểm của chế tạo kim cương. Nó hoạt động như một lớp dẫn điện đồng nhất để cải thiện tính khả thi của quang khắc điện tử 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 cách tiếp cận từ dưới lên. 

“Nó cũng cho phép chuyển giao 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 cách tiếp cận mới

Lớp vonfram 30nm rộng chỉ khoảng 10.000 lần mỏng hơn một sợi tóc người. Mặc dù vậy, nó cho phép khắc kim cương hơn 300nm, đây là một kỷ lục về độ chọn lọc cho quá trình xử lý kim cương. 

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

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

Ứng viên tiến sĩ Milad Nonahal của UTS là tác giả chính của nghiên cứu được xuất bản 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 trồng hoa từ hạt,” ông thêm.

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

“Phương pháp của chúng tôi loại bỏ nhu cầu về vật liệu kim cương đắt tiền và sử dụng implant ion, điều này là chìa khóa để đẩy nhanh việc thương mại hóa phần cứng quantum dựa trên kim cương” Kianinia cho biết.