Theo: How Single-Photon Detection Powers Countless Applications – Tạp chí Photonics Spectra
Số lượng cách để phát hiện và đếm từng hạt photon đang ngày càng gia tăng, và ứng dụng của việc phát hiện hạt photon đơn đang ngày càng mở rộng và xuất hiện với tốc độ tương tự.
RICHARD SIMONS, EXCELITAS TECHNOLOGIES
Các công nghệ chúng ta sử dụng trong các hoạt động hàng ngày để theo dõi thế giới xung quanh như phát triển các loại thuốc mới hoặc sản xuất vật liệu chúng ta sử dụng để xây dựng nhà ở, văn phòng và nhà máy, đều dựa vào các phép đo chính xác nhất về các thông số chính. Khi nhu cầu về độ chính xác và độ chụm tăng lên, các phương pháp đo quang học ngày càng trở thành giải pháp phù hợp để có được thông tin chúng ta cần. Cụ thể hơn, phát hiện photon đơn ngày càng trở nên quan trọng để giúp chúng ta đạt được mức hiệu suất cần thiết.
Ngày nay, phát hiện photon đơn có nhiều ứng dụng khác nhau. Phương pháp này cho phép đo và xác định cỡ hạt (particle sizing) để phục vụ kiểm soát quy trình sản xuất trong công nghiệp, tăng hiệu năng phát hiện huỳnh quang và đo chu kỳ phóng xạ (life time measurement) trong nghiên cứu khoa học đời sống và cải thiện kỹ thuật Phân tích tế bào theo dòng chảy (flow cytometry) của các hạt nano. Đếm photon đơn cũng tăng cường hiệu năng của lidar và các hệ thống đo xa để hỗ trợ các ứng dụng từ đo gió đến giám sát chất bay hơi và chất gây ô nhiễm trong không khí và giúp máy ảnh điện thoại di động tìm tiêu cự.
Phát hiện photon đơn cũng sẽ cho phép nhiều ứng dụng trong tương lai, bao gồm giúp tăng tầm cho lidar cho các phương tiện tự hành trong khi vẫn đảm bảo cường độ nguồn laser vẫn ở mức an toàn cho mắt. Nó sẽ giúp bảo mật thông tin liên lạc bằng cách phát hiện các photon đơn lẻ được sử dụng như các bit 0 và 1 bên trong khóa lượng tử được chia sẻ, và bằng cách phát hiện các rối lượng tử của phôt và hiệu chỉnh các máy phát photon đơn cần thiết để khai thác hiện tượng này. Và trong điện toán lượng tử, nó sẽ giúp ích bằng cách phát hiện các photon đơn lẻ được sử dụng để tạo ra hoặc truy vấn các qubit.
Những phát triển hiện tại và tương lai này đều dựa vào những tiến bộ liên tục trong khoa học đằng sau những ứng dụng này. Nhưng rõ ràng là đếm photon đơn sẽ giúp ích cho những công nghệ hiện nay và trong tương lai.
Đo kích thước hạt (Particle sizing)
Một trong những ứng dụng phổ biến nhất để đếm photon đơn là định cỡ hạt dựa trên tán xạ ánh sáng động (dynamic light scattering), một kỹ thuật được nghiên cứu kỹ và vẫn thường được sử dụng để đo kích thước và sự phân bố của các hạt, nhũ tương hoặc phân tử trong chất lỏng. Các hạt như vậy di chuyển ngẫu nhiên khi chúng va chạm với các phân tử của chất lỏng. Quá trình này được gọi là chuyển động Brown, theo tên của Robert Brown, một nhà thực vật học vào năm 1827 đã sử dụng kính hiển vi để quan sát chuyển động của phấn hoa trong nước.
Một trong những đóng góp khoa học lớn đầu tiên của Albert Einstein là mô hình hóa hành vi hạt được mô tả bởi Brown. Einstein quan sát thấy rằng một hạt phấn hoa lơ lửng trong nước sẽ bị tấn công bởi các phân tử nước đến từ nhiều hướng khác nhau, theo chuyển động của Brown. Nhưng Einstein nhận ra rằng, khi những va chạm nàyđo trong khoảng thời gian rất ngắn, số lượng các va chạm là không đồng đều từ mỗi hướng. Do đó, trong khoảng thời gian ngắn, sẽ có sự thay đổi động lượng tổng của hạt và hạt sẽ thay đổi hướng.
Động lượng là tích của của khối lượng nhân với vận tốc. Vì vậy, đối với bất kỳ thay đổi nhất định nào về động lượng, một hạt lớn hơn sẽ trải qua một sự thay đổi nhỏ hơn về vận tốc.
Tán xạ ánh sáng động đo sự thay đổi cường độ ánh sáng bị tán xạ từ các hạt lơ lửng trong chất lỏng. Khi các hạt trở nên nhỏ hơn, lượng ánh sáng mà chúng tán xạ giảm cho đến khi cần một máy dò photon đơn để đo các biến đổi cường độ và từ đó suy ra kích thước hạt.
Tán xạ ánh sáng động được sử dụng để phân tích các hạt hoặc phân tử có kích thước từ dưới 1 nm đến hơn 10 μm, kích thước này cho phép chúng ta đo các chuỗi protein, hạt nano, phân tử polyme và nhũ tương và cho phép các công nghệ như nghiên cứu thuốc mới, sản xuất sơn, in 3D và nhiều công nghệ khác.
Trong nhiều năm, nguồn sáng lý tưởng cho các dụng cụ tán xạ ánh sáng động là laser helium-neon (HeNe), phát ra ánh sáng ở dải 633 nm. Máy dò lý tưởng đi kèm với tia laser này là một điốt single-photon avalanche (APD), hoạt động ở chế độ được gọi là chế độ Geiger vì máy dò hoạt động theo cách tương tự như bộ đếm Geiger. Cụ thể, nó sẵn sàng ở trạng thái không ổn định để phát hiện các photon đơn lẻ, nhưng sau đó nó cần được ngắt dòng và khởi động lại để phát hiện các photon tiếp theo. Máy dò APD phù hợp với ứng dụng này hơn so với các ống nhân quang, do hiệu suất phát hiện photon cao hơn nhiều mà APD cung cấp ở dải bước sóng cần thiết.
Lidar và Lidar định tầm
Lildar và Lidar định tầm đều phát hiện sự tán xạ hoặc phản xạ ánh sáng từ các hạt cách xa nguồn và máy dò. Máy định tầm (Máy đo khảng cách) thường đo khoảng cách của một mục tiêu, trong khi lidar vẽ lại các đối tượng trong một khối 3 chiều ở khoảng cách xa.
Phát hiện thời gian bay (TOF), về nguyên tắc đơn giản nhưng đầy thách thức ở khoảng cách xa và ngắn, đo thời gian cần thiết để một xung ánh sáng đến mục tiêu và trả về một tỷ lệ photon của nó dưới dạng ánh sáng tán xạ hoặc phản xạ. Thời gian khứ hồi chia cho tốc độ ánh sáng trong môi trường (thường là không khí, nhưng đôi khi là chân không của không gian) cho phép ta tính chiều dài đường đi 2 chiều đến mục tiêu. Độ chính xác của phép đo khoảng cách TOF được điều chỉnh bởi sự kết hợp giữa độ rộng xung của laser và độ phân giải thời gian của máy dò của hệ thống.
Laser diode đơn giản và APD nhanh hoạt động ở chế độ tuyến tính có thể dễ dàng cung cấp độ chính xác cần thiết cho nhiều hệ thống lidar hoặc máy đo khoảng cách, bao gồm cả những hệ thống thông thường được sử dụng bởi những người làm trắc đạc hoặc người chơi gôn. Trong các ứng dụng này, và với khoảng cách liên quan, thời gian được phép để thực hiện phép đo và mức độ phản xạ của mục tiêu cho phép nhiều photon quay trở lại máy dò. Phát hiện các photon đơn lẻ là không cần thiết.
Tuy nhiên, các hệ thống lidar ô tô được thiết kế để cho phép các phương tiện tự hành đòi hỏi hiệu suất, độ an toàn và độ tin cậy cao hơn trong khi vẫn cần giảm thiểu chi phí. Thị trường xe tự lái vẫn đang phát triển và các nhà sản xuất ô tô đang khám phá nhiều công nghệ lidar khác nhau để cung cấp khả năng “vẽ lại” không gian xung quanh xe cả tầm ngắn và tầm dài. Những thách thức kỹ thuật trong việc phát hiện một vật thể trên đường kịp thời để cho phép chiếc xe phản ứng một cách an toàn bao hàm các yêu cầu tương phản lẫn nhau. Hệ thống lidar sẽ cần phát hiện các chướng ngại vật khó nhìn thấy càng xa càng tốt và vẫn giới hạn đầu ra laser trong giới hạn an toàn cho mắt.
Một giải pháp để cân bằng những yêu cầu này là sử dụng bước sóng laser an toàn cho mắt để cho phép công suất đầu ra laser cao hơn. Một nhược điểm của phương pháp này là chi phí cho laser và các máy dò được sử dụng cho hoạt động bước sóng dài hơn là cao hơn tương đối. Một giải pháp thay thế để tăng sản lượng laser là tăng độ nhạy của máy dò – do nhu cầu hiệu suất đối với lidar ô tô – yêu cầu này sẽ phù hợp với việc sử dụng phát hiện photon đơn.
Các hệ thống lidar được lắp đặt trên tàu vũ trụ xoay quanh quỹ đạo cũng sử dụng phát hiện photon đơn để cho phép đo mực nước băng ở hai cực, mực nước biển, thảm thực vật trên bề mặt Trái đất và chiều cao mây. Các hệ thống trong không gian đo chiều cao tán của các khu vực rừng có thể sử dụng laser với độ rộng xung trong phạm vi 10 ns. Việc phát hiện đòi hỏi mức jitter bên trong phải dưới 1 ns, giữa sự phát xạ tín hiệu đầu ra và sự hấp thụ photon trong tán cây.
Trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe như vậy, việc sử dụng APD ở chế độ Geiger một lần nữa là cần thiết bởi hiệu suất phát hiện photon vượt trội của chúng. Độ bên chắc của APD cũng là một yếu tố, vì chúng phải hoạt động đáng tin cậy sau khi trải qua những cú sốc và rung động khi phóng tên lửa qua môi trường khắc nghiệt của không gian. APD cung cấp khả năng chống suy giảm hiệu quả tuyệt vời so với các ống nhân quang và có thể chịu được sự tiếp xúc ngẫu nhiên với mức độ ánh sáng tương đối cao.
Lidar cũng được sử dụng trong các ứng dụng trên mặt đất để chụp các phép đo từ xa chính xác của chất bay hơi và các hạt khác trong khí quyển. Các ứng dụng như vậy liên quan đến khoảng cách phát hiện dài và xác suất tín hiệu trở lại thấp. Do đó, sử dụng các máy dò photon đơn để phát hiện tán xạ ngược từ các xung laser sẽ cho phép đo thông tin khí quyển theo thời gian thực.
Chất bay hơi có thể là một số chất gây ô nhiễm không khí có hại nhất. Có thể đo nồng độ và chuyển động của chúng trong khí quyển là chìa khóa để dự đoán chất lượng không khí ở các thành phố, đo các luồng khí thải từ ống khói để thực thi các quy định về môi trường và cho phép các đơn vị khai khoáng trên mặt đất xác định chính xác khi điều kiện gió vận chuyển bụi vào các khu vực nhạy cảm.
Lidar photon đơn cũng có thể được sử dụng để đo các sol khí tự nhiên để thu thập thông tin về hướng gió thổi. Thông tin như vậy rất hữu ích cho việc lập kế hoạch nơi xây dựng các trang trại gió và khi nào nên đóng cửa chúng khi có dự đoán gió lớn. Nó cũng cung cấp thông tin chi tiết về phân tầng khí quyển để cải thiện dự báo thời tiết. Các hệ thống lidar đơn photon cũng có thể được triển khai nhanh chóng để theo dõi các đám tro núi lửa và cung cấp dữ liệu chính xác để tối ưu hóa an toàn hàng không trong khi giảm thiểu việc hủy và trì hoãn chuyến bay.
Nhiều ứng dụng lidar và tìm phạm vi này thường không được sử dụng trong các thị trường có yêu cầu về chi phí thấp. Các ứng dụng như vậy thường dựa vào các máy dò đơn kênh hiệu suất cao để đáp ứng các yêu cầu hệ thống. Những máy dò này được chế tạo bằng phương pháp sản xuất APD truyền thống và vật liệu chất lượng cao nhất.
Đối với các ứng dụng ô tô, máy dò đơn kênh lidar tốt về hiệu suất nhưng kém hấp dẫn hơn về chi phí khi so sánh với các tùy chọn khác. Tuy nhiên, các kỹ thuật sản xuất CMOS khối lượng lớn cung cấp một giải pháp thay thế chi phí thấp hơn. Những con chip này kết hợp lớp phát hiện và các thiết bị điện tử xử lý và điều khiển tín hiệu ban đầu vào nhiều lớp của một chất nền duy nhất, giúp giảm đáng kể chi phí của máy dò photon đơn. Máy dò CMOS sẽ kém hiệu quả và nhiều nhiễu nền hơn so với APD truyền thống, nhưng hiệu suất của nó đủ tốt để tăng phạm vi quét của các hệ thống lidar. Máy dò CMOS cũng cho phép mảng 2D và loại bỏ sự cần thiết của các hệ thống laser quét phức tạp – giúp giảm chi phí hơn nữa.
Các PAD tương thích CMOS được lắp ráp dưới dạng mảng 2D đang được sử dụng ở các thị trường nhạy cảm hơn về chi phí bằng cách giảm thêm tầm hoạt động. Ví dụ, các thiết kế điện thoại di động đang kết hợp các thiết bị này làm cảm biến tiệm cận có độ nhạy cao có thể hoạt động với tỷ lệ photon thấp. Máy ảnh TOF với độ phân giải megapixel cũng đang được phát triển để cho phép thu nhận hình ảnh 3D ở tốc độ khung hình cao hơn nhiều so với video, cho phép các ứng dụng thực tế tăng cường (AR).
Đo huỳnh quang
Ánh sáng huỳnh quang trong nhiều năm sử dụng ống huỳnh quang và gần đây là đèn LED, chuyển đổi từ tia cực tím hoặc ánh sáng xanh thành bước sóng dài hơn để tạo ra ra ánh sáng trắng. Đo huỳnh quang là một lĩnh vực khác nữa mà kỹ thuật phát hiện photon đơn có thể tăng cường hiệu suất, đặc biệt là trong ứng dụng hóa sinh và y học, trong các lĩnh vực này ánh sáng huỳnh quang được sử dụng để theo dõi và phân tích các phân tử hoặc quá trình sinh học bằng cách theo dõi hiện tượng phát xạ huỳnh quang. Đo huỳnh quang phát xạ của các phân tử sinh học hoặc các chu trình sinh học là rất quan trọng đối với nghiên cứu hóa sinh và y học. Việc đánh dấu các thành phần tế bào với chất phát huỳnh quang là một ví dụ, cho phép trực quan hóa và nghiên cứu các khu vực cụ thể trong một mẫu.
Việc sử dụng phát hiện photon đơn cho phép chúng ta phát triển kính hiển vi sử dụng chu kỳ phân rã huỳnh quang, đo phân rã huỳnh quang của fluorophore để tạo ra hình ảnh. Phép đo chu kỳ phân rã này độc lập với sự thay đổi cường độ trong nguồn laser và thay đổi ánh sáng nền. Vì vậy, phép đo của nó cải thiện độ rõ nét của hình ảnh.
Đếm photon đơn tương quan theo thời gian là một phương pháp phổ biến để trích xuất thông tin chu kỳ phân rã huỳnh quang trong khi bù cho các biến động ở nguồn phát và nền nhiễu. Các hệ thống sử dụng PAD dựa trên CMOS cho phép chụp ảnh trường rộng để phân tích nhanh với chi phí hệ thống có thể thấp hơn.
Trong tế bào học dòng chảy, phân loại tế bào kích hoạt huỳnh quang được sử dụng để tách các tế bào hoặc hạt cụ thể khỏi quần thể lớn hơn. Phát hiện photon đơn cho phép sử dụng laser công suất thấp hơn và do đó ít tốn kém hơn. Nó nhắm mục tiêu phát hiện đơn phân tử hoặc hạt nano, trong đó lượng ánh sáng phát ra là cực kỳ thấp.
Thế giới lượng tử
Các photon đơn lẻ cũng được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghệ lượng tử. Tuy nhiên, để các ứng dụng này trở nên đủ thực tế cho thế giới thực, các máy dò photon đơn đáng tin cậy sẽ là cần thiết.
Các máy dò như vậy đang có nhu cầu cho ngân hàng, cơ sở hạ tầng, quân sự và các lĩnh vực ứng dụng khác đòi hỏi các hệ thống truyền thông an toàn không bị hack hoặc xâm nhập. Phân phối khóa lượng tử cho phép người truyền và nhận thông tin tạo ra các khóa mật mã phức tạp và an toàn cao trong thời gian thực, bằng cách sử dụng các tính chất lượng tử của các photon đơn lẻ. Khi khóa được tạo, người dùng có thể tự do mã hóa thông tin, biết rằng thông tin liên lạc được bảo mật.
Các hệ thống phân phối khóa lượng tử đang chuyển từ các phòng thí nghiệm và trình diễn liên kết chuyên dụng sang triển khai trong thế giới thực. Khi các hệ thống này chuyển sang các ứng dụng thương mại, các máy dò photon đơn sẽ trở nên quan trọng đối với hệ thống. Trong khi các cuộc trình diễn trong phòng thí nghiệm dựa trên các dây nano siêu dẫn để phát hiện photon đơn, các silicon và InGaAs APD là các máy dò được lựa chọn cho các hệ thống được triển khai thực tế.
Các hệ thống rối lượng tử, một lĩnh vực nghiên cứu khác trong công nghệ lượng tử, cũng dựa vào công nghệ phát hiện photon đơn. Ở đây cũng vậy, APD đang trở thành máy dò được lựa chọn khi các hệ thống chuyển từ phòng thí nghiệm sang triển khai thương mại.
Khả năng phát hiện và đếm các photon đơn lẻ đã cho phép đột phá và khám phá trong các ứng dụng y tế, công nghiệp, hàng không vũ trụ và quân sự, trong số những ứng dụng khác. Hoạt động của photon trong cả phản ứng hóa học và vật lý rất hữu ích cho việc tìm hiểu cách năng lượng và vật chất tương tác trong tất cả các loại kịch bản và trong mọi loại điều kiện. Các ứng dụng công nghệ lượng tử đang phát triển nhanh chóng và tiềm năng đáng kể tồn tại cho công nghệ thay đổi trò chơi này để cung cấp thông tin, hình ảnh và khả năng phát hiện cần thiết cho các ứng dụng trong tương lai thậm chí chưa xuất hiện.
Gặp gỡ tác giả
Richard Simons là giám đốc sản phẩm phát hiện ánh sáng yếu tại Excelitas Technologies. Ông có kiến thức sâu rộng về quang tử, với kinh nghiệm về laser công suất cao, quang học laser năng lượng cao, sợi quang cho viễn thông và cảm biến, radar và phát hiện photon đơn; E-mail: richard.simons@excelitas.com.
