Các nhà khoa học Nga đã học cách tạo ra các khoang vi mô với độ chính xác cao
Giáo sư Đại học Aston (Anh) Mikhail Sumetsky và kỹ sư nghiên cứu từ Đại học ITMO (Đại học Nghiên cứu Quốc gia về Công nghệ Thông tin, Cơ học và Quang học St. Petersburg) Nikita Toropov đã tạo ra một công nghệ thực tế và rẻ tiền để sản xuất các khoang quang học vi mô với độ chính xác cao kỷ lục cho đến nay. Các khoang vi mô có thể trở thành cơ sở cho việc tạo ra máy tính lượng tử, điều này đã được báo cáo vào thứ Sáu tuần trước, ngày 22 tháng XNUMX, bởi cổng thông tin khoa học nổi tiếng “Attic” có liên quan đến dịch vụ báo chí ITMO.
Sự liên quan của công việc trong lĩnh vực tạo ra máy tính lượng tử ngày nay là do một số vấn đề rất quan trọng không thể giải quyết được bằng máy tính cổ điển, bao gồm cả siêu máy tính, trong một khoảng thời gian hợp lý. Chúng ta đang nói về các vấn đề của vật lý lượng tử và hóa học, mật mã và vật lý hạt nhân. Theo dự báo của các nhà khoa học, máy tính lượng tử sẽ trở thành một phần quan trọng trong môi trường điện toán và thông tin phân tán trong tương lai. Xây dựng một máy tính lượng tử dưới dạng một vật thể vật lý thực sự là một trong những nhiệm vụ cơ bản của vật lý thế kỷ 21.
Một nghiên cứu của các nhà khoa học Nga về việc sản xuất các khoang vi mô quang học đã được công bố trên tạp chí Optics Letters. “Công nghệ này không yêu cầu lắp đặt chân không, gần như hoàn toàn không có các quy trình liên quan đến xử lý bằng dung dịch ăn da và tương đối rẻ tiền. Nhưng điều quan trọng nhất là đây là một bước tiến nữa nhằm cải thiện chất lượng truyền và xử lý dữ liệu, tạo ra máy tính lượng tử và các dụng cụ đo siêu nhạy”, thông cáo báo chí từ Đại học ITMO cho biết.
Khoang vi mô quang học là một loại bẫy ánh sáng ở dạng sợi quang dày lên rất nhỏ, cực nhỏ. Vì các photon không thể bị dừng lại nên dòng chảy của chúng phải bị trì hoãn bằng cách nào đó để mã hóa thông tin. Đây chính xác là lý do tại sao các chuỗi vi khoang quang học được sử dụng. Nhờ hiệu ứng “thì thầm”, tín hiệu chậm lại: đi vào bộ cộng hưởng, sóng ánh sáng bị phản xạ từ các bức tường của nó và bị xoắn lại. Đồng thời, nhờ hình dạng tròn của bộ cộng hưởng nên ánh sáng có thể bị phản xạ bên trong nó trong thời gian khá dài. Do đó, các photon di chuyển từ bộ cộng hưởng này sang bộ cộng hưởng khác với tốc độ thấp hơn đáng kể.
Đường đi của ánh sáng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước và hình dạng của bộ cộng hưởng. Xem xét kích thước của các khoang vi mô, nhỏ hơn một phần mười milimét, những thay đổi trong các thông số của một thiết bị như vậy phải cực kỳ chính xác, vì bất kỳ khiếm khuyết nào trên bề mặt của khoang vi mô đều có thể tàn phá dòng photon. Mikhail Sumetsky nhấn mạnh: “Nếu ánh sáng quay trong một thời gian dài, nó bắt đầu gây trở ngại (xung đột) với chính nó. — Nếu xảy ra lỗi trong quá trình sản xuất bộ cộng hưởng, sự nhầm lẫn sẽ bắt đầu. Từ đây chúng ta có thể thu thập được yêu cầu chính đối với bộ cộng hưởng: độ lệch kích thước tối thiểu.”
Các bộ cộng hưởng vi mô do các nhà khoa học Nga và Anh chế tạo với độ chính xác cao đến mức sự khác biệt về kích thước của chúng không vượt quá 0,17 angstrom. Để hình dung thang đo, chúng ta lưu ý rằng giá trị này nhỏ hơn khoảng 3 lần so với đường kính của một nguyên tử hydro và ngay lập tức nhỏ hơn 100 lần so với sai số cho phép trong quá trình sản xuất các bộ cộng hưởng tương tự ngày nay. Mikhail Sumetsky đã tạo ra phương pháp SNAP dành riêng cho việc sản xuất các bộ cộng hưởng. Theo công nghệ này, tia laser sẽ ủ sợi, giải phóng ứng suất đóng băng trong sợi. Sau khi tiếp xúc với chùm tia laze, sợi sẽ hơi “phình lên” và thu được một khoang vi mô. Các nhà nghiên cứu từ Nga và Anh sẽ tiếp tục cải tiến công nghệ SNAP cũng như mở rộng phạm vi ứng dụng có thể có của nó.
Công việc nghiên cứu các khoang vi mô ở nước ta vẫn chưa dừng lại trong vài thập kỷ qua. Tại làng Skolkovo gần Moscow, một ngôi nhà số 100 được xây dựng trên phố Novaya. Đây là một ngôi nhà với những bức tường tráng gương có thể cạnh tranh với bầu trời bằng màu xanh của chúng. Chúng ta đang nói về việc xây dựng Trường Quản lý Skolkovo. Một trong những người thuê ngôi nhà khác thường này là Trung tâm Lượng tử Nga (RCC).
Các vi khoang ngày nay là một chủ đề khá nóng trong quang học lượng tử. Một số nhóm trên khắp thế giới đang liên tục nghiên cứu chúng. Đồng thời, khoang vi mô quang học ban đầu được phát minh ở nước ta tại Đại học quốc gia Moscow. Bài báo đầu tiên về các bộ cộng hưởng như vậy đã được xuất bản vào năm 1989. Tác giả của bài báo là ba nhà vật lý: Vladimir Braginsky, Vladimir Ilchenko và Mikhail Gorodetsky. Đồng thời, Gorodetsky lúc đó còn là sinh viên, và người giám sát của anh là Ilchenko sau đó chuyển đến Hoa Kỳ, nơi anh bắt đầu làm việc trong phòng thí nghiệm của NASA. Ngược lại, Mikhail Gorodetsky vẫn ở Đại học quốc gia Moscow, dành nhiều năm để nghiên cứu lĩnh vực này. Anh ấy gia nhập nhóm RCC tương đối gần đây - vào năm 2014, tại RCC, tiềm năng của anh ấy với tư cách là một nhà khoa học có thể được bộc lộ đầy đủ hơn. Để làm được điều này, trung tâm có tất cả các thiết bị cần thiết cho các thí nghiệm mà MSU không có, cũng như một đội ngũ chuyên gia. Một lập luận khác mà Gorodetsky đưa ra ủng hộ RCC là khả năng trả lương xứng đáng cho nhân viên.
Hiện tại, nhóm của Gorodetsky tuyển dụng một số người trước đây đã tham gia vào các hoạt động khoa học dưới sự lãnh đạo của ông tại Đại học quốc gia Moscow. Đồng thời, không có gì ngạc nhiên khi ngày nay không dễ để giữ được các nhà khoa học trẻ đầy hứa hẹn ở Nga - cánh cửa của bất kỳ phòng thí nghiệm nào trên thế giới ngày nay đều mở rộng chào đón họ. Và RSC là một trong những cơ hội để tạo dựng sự nghiệp khoa học rực rỡ cũng như nhận được mức lương xứng đáng mà không cần rời khỏi Liên bang Nga. Hiện tại, phòng thí nghiệm của Mikhail Gorodetsky đang tiến hành nghiên cứu rằng, nếu các sự kiện diễn biến thuận lợi, có thể thay đổi thế giới.
Các khoang vi mô quang học là cơ sở của một công nghệ mới có thể làm tăng mật độ truyền dữ liệu qua các kênh cáp quang. Và đây chỉ là một trong những ứng dụng khả thi của bộ cộng hưởng vi mô. Trong vài năm qua, một trong những phòng thí nghiệm của RCC đã học cách sản xuất các khoang vi mô, hiện đã được mua ở nước ngoài. Và các nhà khoa học Nga trước đây từng làm việc tại các trường đại học nước ngoài thậm chí còn quay trở lại Nga để làm việc trong phòng thí nghiệm này.
Theo lý thuyết, các khoang quang học cực nhỏ có thể được sử dụng trong lĩnh vực viễn thông, nơi chúng có thể giúp tăng mật độ truyền dữ liệu qua cáp quang. Hiện tại, các gói dữ liệu đã được truyền đi ở một dải màu khác, nhưng nếu bộ thu và bộ phát nhạy hơn thì có thể phân nhánh một đường dữ liệu thành nhiều kênh tần số hơn nữa.
Nhưng đây không phải là lĩnh vực ứng dụng duy nhất của họ. Ngoài ra, bằng cách sử dụng các khoang vi mô quang học, người ta không chỉ có thể đo ánh sáng của các hành tinh xa xôi mà còn có thể xác định thành phần của chúng. Họ cũng có thể tạo ra các máy dò vi khuẩn, vi rút hoặc một số chất nhất định - cảm biến hóa học và cảm biến sinh học. Mikhail Gorodetsky đã phác thảo bức tranh tương lai sau đây về một thế giới trong đó các khoang vi mô đã được sử dụng: “Với sự trợ giúp của một thiết bị nhỏ gọn dựa trên các khoang vi mô quang học, người ta có thể xác định thành phần của không khí mà một người thở ra, mang thông tin về trạng thái của hầu hết các cơ quan trong cơ thể con người. Nghĩa là, tốc độ và độ chính xác của chẩn đoán trong y học có thể tăng lên gấp nhiều lần.”
Tuy nhiên, hiện tại đây chỉ là những lý thuyết vẫn cần được kiểm tra. Vẫn còn một chặng đường dài để đạt được các thiết bị làm sẵn được xây dựng trên cơ sở của chúng. Tuy nhiên, theo Mikhail Gorodetsky, phòng thí nghiệm của ông, theo kế hoạch đã được phê duyệt, trong một vài năm nữa sẽ tìm ra chính xác cách sử dụng bộ cộng hưởng vi mô trong thực tế. Hiện nay, lĩnh vực hứa hẹn nhất là lĩnh vực viễn thông, cũng như lĩnh vực quân sự. Máy cộng hưởng vi mô thực sự có thể được quân đội Nga quan tâm. Ví dụ, chúng có thể được sử dụng trong việc phát triển và sản xuất radar cũng như các bộ tạo tín hiệu ổn định.
Cho đến nay, việc sản xuất hàng loạt các bộ cộng hưởng vi mô là không cần thiết. Nhưng một số công ty trên thế giới đã bắt đầu sản xuất các thiết bị sử dụng chúng, nghĩa là họ thực sự đã có thể thương mại hóa những phát triển của mình. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chỉ nói về các thiết bị từng phần được thiết kế để giải quyết một loạt vấn đề. Ví dụ, công ty OEWaves của Mỹ (ngày nay sử dụng một trong những nhà phát minh ra khoang vi mô, Vladimir Ilchenko), sản xuất máy phát vi sóng siêu ổn định cũng như các tia laser tuyệt vời. Laser của công ty, tạo ra ánh sáng trong phạm vi rất hẹp (lên đến 300 Hz) với rất ít nhiễu pha và tần số, đã nhận được giải thưởng PRIZM danh giá. Giải thưởng như vậy thực chất là một giải “Oscar” trong lĩnh vực quang học ứng dụng, giải thưởng này được trao hàng năm.
Trong lĩnh vực y tế, tập đoàn Samsung của Hàn Quốc cùng với Trung tâm Lượng tử Nga đang tham gia phát triển lĩnh vực này. Theo ấn phẩm Kommersant, những công trình này trong năm 2015 mới ở giai đoạn đầu nên còn quá sớm và quá sớm để nói bất cứ điều gì về những phát minh có ứng dụng thực tế.
Nguồn thông tin:
http://tass.ru/nauka/3478280
http://www.kommersant.ru/doc/2740444
https://mipt.ru/education/chairs/nanoelektronika-i-kvantovye-kompyutery
Tài liệu từ các nguồn mở
Sự liên quan của công việc trong lĩnh vực tạo ra máy tính lượng tử ngày nay là do một số vấn đề rất quan trọng không thể giải quyết được bằng máy tính cổ điển, bao gồm cả siêu máy tính, trong một khoảng thời gian hợp lý. Chúng ta đang nói về các vấn đề của vật lý lượng tử và hóa học, mật mã và vật lý hạt nhân. Theo dự báo của các nhà khoa học, máy tính lượng tử sẽ trở thành một phần quan trọng trong môi trường điện toán và thông tin phân tán trong tương lai. Xây dựng một máy tính lượng tử dưới dạng một vật thể vật lý thực sự là một trong những nhiệm vụ cơ bản của vật lý thế kỷ 21.
Một nghiên cứu của các nhà khoa học Nga về việc sản xuất các khoang vi mô quang học đã được công bố trên tạp chí Optics Letters. “Công nghệ này không yêu cầu lắp đặt chân không, gần như hoàn toàn không có các quy trình liên quan đến xử lý bằng dung dịch ăn da và tương đối rẻ tiền. Nhưng điều quan trọng nhất là đây là một bước tiến nữa nhằm cải thiện chất lượng truyền và xử lý dữ liệu, tạo ra máy tính lượng tử và các dụng cụ đo siêu nhạy”, thông cáo báo chí từ Đại học ITMO cho biết.
Khoang vi mô quang học là một loại bẫy ánh sáng ở dạng sợi quang dày lên rất nhỏ, cực nhỏ. Vì các photon không thể bị dừng lại nên dòng chảy của chúng phải bị trì hoãn bằng cách nào đó để mã hóa thông tin. Đây chính xác là lý do tại sao các chuỗi vi khoang quang học được sử dụng. Nhờ hiệu ứng “thì thầm”, tín hiệu chậm lại: đi vào bộ cộng hưởng, sóng ánh sáng bị phản xạ từ các bức tường của nó và bị xoắn lại. Đồng thời, nhờ hình dạng tròn của bộ cộng hưởng nên ánh sáng có thể bị phản xạ bên trong nó trong thời gian khá dài. Do đó, các photon di chuyển từ bộ cộng hưởng này sang bộ cộng hưởng khác với tốc độ thấp hơn đáng kể.
Đường đi của ánh sáng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước và hình dạng của bộ cộng hưởng. Xem xét kích thước của các khoang vi mô, nhỏ hơn một phần mười milimét, những thay đổi trong các thông số của một thiết bị như vậy phải cực kỳ chính xác, vì bất kỳ khiếm khuyết nào trên bề mặt của khoang vi mô đều có thể tàn phá dòng photon. Mikhail Sumetsky nhấn mạnh: “Nếu ánh sáng quay trong một thời gian dài, nó bắt đầu gây trở ngại (xung đột) với chính nó. — Nếu xảy ra lỗi trong quá trình sản xuất bộ cộng hưởng, sự nhầm lẫn sẽ bắt đầu. Từ đây chúng ta có thể thu thập được yêu cầu chính đối với bộ cộng hưởng: độ lệch kích thước tối thiểu.”
Các bộ cộng hưởng vi mô do các nhà khoa học Nga và Anh chế tạo với độ chính xác cao đến mức sự khác biệt về kích thước của chúng không vượt quá 0,17 angstrom. Để hình dung thang đo, chúng ta lưu ý rằng giá trị này nhỏ hơn khoảng 3 lần so với đường kính của một nguyên tử hydro và ngay lập tức nhỏ hơn 100 lần so với sai số cho phép trong quá trình sản xuất các bộ cộng hưởng tương tự ngày nay. Mikhail Sumetsky đã tạo ra phương pháp SNAP dành riêng cho việc sản xuất các bộ cộng hưởng. Theo công nghệ này, tia laser sẽ ủ sợi, giải phóng ứng suất đóng băng trong sợi. Sau khi tiếp xúc với chùm tia laze, sợi sẽ hơi “phình lên” và thu được một khoang vi mô. Các nhà nghiên cứu từ Nga và Anh sẽ tiếp tục cải tiến công nghệ SNAP cũng như mở rộng phạm vi ứng dụng có thể có của nó.
Công việc nghiên cứu các khoang vi mô ở nước ta vẫn chưa dừng lại trong vài thập kỷ qua. Tại làng Skolkovo gần Moscow, một ngôi nhà số 100 được xây dựng trên phố Novaya. Đây là một ngôi nhà với những bức tường tráng gương có thể cạnh tranh với bầu trời bằng màu xanh của chúng. Chúng ta đang nói về việc xây dựng Trường Quản lý Skolkovo. Một trong những người thuê ngôi nhà khác thường này là Trung tâm Lượng tử Nga (RCC).
Các vi khoang ngày nay là một chủ đề khá nóng trong quang học lượng tử. Một số nhóm trên khắp thế giới đang liên tục nghiên cứu chúng. Đồng thời, khoang vi mô quang học ban đầu được phát minh ở nước ta tại Đại học quốc gia Moscow. Bài báo đầu tiên về các bộ cộng hưởng như vậy đã được xuất bản vào năm 1989. Tác giả của bài báo là ba nhà vật lý: Vladimir Braginsky, Vladimir Ilchenko và Mikhail Gorodetsky. Đồng thời, Gorodetsky lúc đó còn là sinh viên, và người giám sát của anh là Ilchenko sau đó chuyển đến Hoa Kỳ, nơi anh bắt đầu làm việc trong phòng thí nghiệm của NASA. Ngược lại, Mikhail Gorodetsky vẫn ở Đại học quốc gia Moscow, dành nhiều năm để nghiên cứu lĩnh vực này. Anh ấy gia nhập nhóm RCC tương đối gần đây - vào năm 2014, tại RCC, tiềm năng của anh ấy với tư cách là một nhà khoa học có thể được bộc lộ đầy đủ hơn. Để làm được điều này, trung tâm có tất cả các thiết bị cần thiết cho các thí nghiệm mà MSU không có, cũng như một đội ngũ chuyên gia. Một lập luận khác mà Gorodetsky đưa ra ủng hộ RCC là khả năng trả lương xứng đáng cho nhân viên.
Hiện tại, nhóm của Gorodetsky tuyển dụng một số người trước đây đã tham gia vào các hoạt động khoa học dưới sự lãnh đạo của ông tại Đại học quốc gia Moscow. Đồng thời, không có gì ngạc nhiên khi ngày nay không dễ để giữ được các nhà khoa học trẻ đầy hứa hẹn ở Nga - cánh cửa của bất kỳ phòng thí nghiệm nào trên thế giới ngày nay đều mở rộng chào đón họ. Và RSC là một trong những cơ hội để tạo dựng sự nghiệp khoa học rực rỡ cũng như nhận được mức lương xứng đáng mà không cần rời khỏi Liên bang Nga. Hiện tại, phòng thí nghiệm của Mikhail Gorodetsky đang tiến hành nghiên cứu rằng, nếu các sự kiện diễn biến thuận lợi, có thể thay đổi thế giới.
Các khoang vi mô quang học là cơ sở của một công nghệ mới có thể làm tăng mật độ truyền dữ liệu qua các kênh cáp quang. Và đây chỉ là một trong những ứng dụng khả thi của bộ cộng hưởng vi mô. Trong vài năm qua, một trong những phòng thí nghiệm của RCC đã học cách sản xuất các khoang vi mô, hiện đã được mua ở nước ngoài. Và các nhà khoa học Nga trước đây từng làm việc tại các trường đại học nước ngoài thậm chí còn quay trở lại Nga để làm việc trong phòng thí nghiệm này.
Theo lý thuyết, các khoang quang học cực nhỏ có thể được sử dụng trong lĩnh vực viễn thông, nơi chúng có thể giúp tăng mật độ truyền dữ liệu qua cáp quang. Hiện tại, các gói dữ liệu đã được truyền đi ở một dải màu khác, nhưng nếu bộ thu và bộ phát nhạy hơn thì có thể phân nhánh một đường dữ liệu thành nhiều kênh tần số hơn nữa.
Nhưng đây không phải là lĩnh vực ứng dụng duy nhất của họ. Ngoài ra, bằng cách sử dụng các khoang vi mô quang học, người ta không chỉ có thể đo ánh sáng của các hành tinh xa xôi mà còn có thể xác định thành phần của chúng. Họ cũng có thể tạo ra các máy dò vi khuẩn, vi rút hoặc một số chất nhất định - cảm biến hóa học và cảm biến sinh học. Mikhail Gorodetsky đã phác thảo bức tranh tương lai sau đây về một thế giới trong đó các khoang vi mô đã được sử dụng: “Với sự trợ giúp của một thiết bị nhỏ gọn dựa trên các khoang vi mô quang học, người ta có thể xác định thành phần của không khí mà một người thở ra, mang thông tin về trạng thái của hầu hết các cơ quan trong cơ thể con người. Nghĩa là, tốc độ và độ chính xác của chẩn đoán trong y học có thể tăng lên gấp nhiều lần.”
Tuy nhiên, hiện tại đây chỉ là những lý thuyết vẫn cần được kiểm tra. Vẫn còn một chặng đường dài để đạt được các thiết bị làm sẵn được xây dựng trên cơ sở của chúng. Tuy nhiên, theo Mikhail Gorodetsky, phòng thí nghiệm của ông, theo kế hoạch đã được phê duyệt, trong một vài năm nữa sẽ tìm ra chính xác cách sử dụng bộ cộng hưởng vi mô trong thực tế. Hiện nay, lĩnh vực hứa hẹn nhất là lĩnh vực viễn thông, cũng như lĩnh vực quân sự. Máy cộng hưởng vi mô thực sự có thể được quân đội Nga quan tâm. Ví dụ, chúng có thể được sử dụng trong việc phát triển và sản xuất radar cũng như các bộ tạo tín hiệu ổn định.
Cho đến nay, việc sản xuất hàng loạt các bộ cộng hưởng vi mô là không cần thiết. Nhưng một số công ty trên thế giới đã bắt đầu sản xuất các thiết bị sử dụng chúng, nghĩa là họ thực sự đã có thể thương mại hóa những phát triển của mình. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chỉ nói về các thiết bị từng phần được thiết kế để giải quyết một loạt vấn đề. Ví dụ, công ty OEWaves của Mỹ (ngày nay sử dụng một trong những nhà phát minh ra khoang vi mô, Vladimir Ilchenko), sản xuất máy phát vi sóng siêu ổn định cũng như các tia laser tuyệt vời. Laser của công ty, tạo ra ánh sáng trong phạm vi rất hẹp (lên đến 300 Hz) với rất ít nhiễu pha và tần số, đã nhận được giải thưởng PRIZM danh giá. Giải thưởng như vậy thực chất là một giải “Oscar” trong lĩnh vực quang học ứng dụng, giải thưởng này được trao hàng năm.
Trong lĩnh vực y tế, tập đoàn Samsung của Hàn Quốc cùng với Trung tâm Lượng tử Nga đang tham gia phát triển lĩnh vực này. Theo ấn phẩm Kommersant, những công trình này trong năm 2015 mới ở giai đoạn đầu nên còn quá sớm và quá sớm để nói bất cứ điều gì về những phát minh có ứng dụng thực tế.
Nguồn thông tin:
http://tass.ru/nauka/3478280
http://www.kommersant.ru/doc/2740444
https://mipt.ru/education/chairs/nanoelektronika-i-kvantovye-kompyutery
Tài liệu từ các nguồn mở
tin tức