Kim cương là một vật liệu có tầm quan trọng lớn đối với các công nghệ trong tương lai, đặc biệt là internet lượng tử. Các khuyết tật điểm trong kim cương có thể được sử dụng làm bit lượng tử (qubit) và phát ra các hạt ánh sáng đơn lẻ được gọi là photon đơn lẻ.

Các photon đơn lé có tác dụng cho phép truyền dữ liệu với khoảng cách xa trong mạng lượng tử. Tuy nhiên, rất khó để thực hiện điều này do tất cả các photon phải được thu thập trong sợi quang và truyền đi mà không bị khiếm khuyết, đồng thời phải đảm bảo tất cả các photon này đều có cùng tần số. 

Các nhà nghiên cứu trong nhóm "Quang tử học lượng tử tích hợp" do Giáo sư Tiến sĩ Tim Schröder tại Đại học Humboldt, Berlin dẫn đầu đã thành công trong việc tạo ra và phát hiện các photon có tần số ổn định từ các nguồn ánh sáng lượng tử, hay chính xác hơn là từ các trung tâm khiếm khuyết nitơ trong cấu trúc nano kim cương.

Để tạo ra photon có tần số ổn định, điều đầu tiên là phải lựa chọn cẩn thận vật liệu kim cương. Các phương pháp chế tạo nano tinh vi được thực hiện tại Phòng thí nghiệm quang lượng tử của Viện nghiên cứu Ferdinand Braun, Leibniz für Höchstfrequenztechnik và các giao thức kiểm soát thử nghiệm cụ thể. Bằng cách kết hợp các phương pháp này, tiếng ồn của các electron gây nhiễu quá trình truyền dữ liệu, có thể giảm đáng kể và các photon được phát ra ở tần số liên lạc ổn định.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu ở Berlin còn chỉ ra tốc độ liên lạc hiện tại giữa các hệ thống lượng tử được phân tách theo không gian có thể tăng hơn 1.000 lần với sự trợ giúp của các phương pháp đã phát triển. Đây là một bước quan trọng để tiến gần hơn tới internet lượng tử trong tương lai.

Các nhà khoa học đã tích hợp các qubit riêng lẻ vào cấu trúc nano kim cương được tối ưu hóa. Những cấu trúc này mỏng hơn 1.000 lần so với sợi tóc người và có thể chuyển các photon vào các sợi thủy tinh.

Tuy nhiên, trong quá trình chế tạo cấu trúc nano, bề mặt vật liệu bị phá hủy ở cấp độ nguyên tử và các electron tự do tạo ra tiếng ồn không kiểm soát đối với các hạt ánh sáng được tạo ra. Điều này gây ra các dao động trong tần số photon, ngăn cản các hoạt động lượng tử thành công.

Một tính năng đặc biệt của kim cương được sử dụng để tạo ra các photon ổn định là mật độ nguyên tử tạp chất nitơ tương đối cao trong mạng tinh thể. Chúng có thể che chắn nguồn sáng lượng tử khỏi nhiễu điện tử ở bề mặt của cấu trúc nano. Laura Orphal-Kobin, người nghiên cứu các hệ lượng tử cùng với Giáo sư Tiến sĩ Tim Schröder, giải thích: “Tuy nhiên, các quá trình vật lý chính xác cần được nghiên cứu chi tiết hơn trong tương lai”.

Mỹ Linh