Việc phát hiện một photon đơn lẻ đóng vai trò cơ bản trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cả công nghệ lượng tử. Silvia Butera ghi lại những phát triển về công nghệ cảm biến này.
Tôi không biết khó khăn của việc phát hiện một photon đơn lẻ và những thách thức trong việc sản xuất các cảm biến phát hiện photon đơn lẻ khi tôi bắt đầu nghiên cứu tiến sĩ về vật lý cảm biến bán dẫn. Tôi không thể tưởng tượng được việc phát triển vật liệu cho một cảm biến phát hiện photon đơn lẻ hoặc quá trình chế tạo sẽ khó khăn đến nhường nào.
Tín hiệu phát hiện photon đơn lẻ đã được khám phá từ lâu, từ Albert Einstein, người đã giới thiệu lý thuyết ánh sáng được quan hóa vào năm 1905, và nhận giải Nobel Vật lý năm 1921. Bằng chứng thực nghiệm đầu tiên về tính chất hạt của ánh sáng đã được Robert Andrews Millikan báo cáo vào năm 1916, và sau đó được Arthur Holly Compton thực hiện thí nghiệm khác vào vài năm sau. Mặc dù kết quả của họ ủng hộ phương trình quang điện của Einstein, ý niệm về ánh sáng như hạt photon ban đầu đã được tiếp cận cẩn thận. Millikan đã tự nói trong bài báo nổi tiếng của mình rằng “ý thuyết nửa hạt được Einstein đạt được thông qua phương trình của mình hiện tại dường như hoàn toàn không thể chấp nhận”.
Sự phát triển công nghệ cuối cùng đã cho phép phát hiện đơn lượng tử, bao gồm các phát triển trong lĩnh vực vật liệu, công nghệ chân không và điều khiển nhiệt độ. Năm 1949, công nghệ đã sẵn sàng và việc đếm đơn lượng tử trở nên khả thi trong ống nhân đôi ánh sáng (như trong hình). Những thiết bị phát hiện này bao gồm một điện cực quang điện chuyển đổi ánh sáng hấp thụ thành điện tử qua hiệu ứng quang điện. Hấp thụ một lượng tử sẽ tạo ra một điện tử tự do, được nhân bản thông qua một chuỗi các điện cực.
Kể từ thành công của ống nhân quang điện (PTM), đã có nhiều nỗ lực đáng kể để phát triển các công nghệ phát hiện đơn lượng tử thay thế với thông tin thời gian chính xác và hiệu suất phát hiện đơn lượng tử cao, đồng thời có xác suất thấp của các phép đếm “tình cờ” hoặc “tối”. Một trong những thiết bị nổi bật dựa trên công nghệ bán dẫn là thiết bị phát hiện bão hòa đơn lượng tử. Trong những thiết bị này, sự hấp thụ của một lượng tử sẽ tạo ra một cặp điện tử-hố trong bán dẫn, sau đó qua quá trình ion hóa tác động, tạo ra một chuỗi tăng phối tử kỹ thuật số tự duy trì. Sự tăng phối này trải qua toàn bộ thiết bị, biến một cặp điện tử-hố ban đầu thành một xung dòng điện lớn. Để khởi động quá trình này, năng lượng của lượng tử phải bằng hoặc lớn hơn năng lượng cần để tạo ra cặp điện tử-hố. Điều này giới hạn một cách rõ rệt phạm vi bước sóng mà một thiết bị phát hiện bán dẫn nhạy cảm, vì năng lượng ngược nghịch với bước sóng. Các thiết bị phát hiện bão hòa đơn lượng tử tiên tiến nhất và sẵn có hiện nay dựa trên silic, giới hạn ở bước sóng 1.1 μm trong hồng ngoại gần.
Các phát triển gần đây hướng tới việc đạt được độ nhạy cao hơn và cho phép hoạt động ở bước sóng photon dài hơn đã liên quan đến việc phá vỡ các cặp Cooper, chịu trách nhiệm chuyển dòng điện trong vật liệu siêu dẫn, vì điều này yêu cầu năng lượng ít hơn đáng kể so với cả ống nhân đôi ánh sáng và thiết bị phát hiện bão hòa đơn lượng tử. Một ví dụ là cảm biến biên chuyển nhiệt, nơi tăng nhiệt độ do việc phá vỡ một cặp Cooper được đăng ký như là một sự thay đổi trong trở kháng của thiết bị. Những thiết bị phát hiện này có thể điều chỉnh cho các bước sóng trong khoảng từ sóng vô cực đến tia gamma và cũng có khả năng phân biệt xem có hai hoặc nhiều photon được phát hiện.
Một khái niệm thay thế là thiết bị phát hiện đơn lượng tử dây siêu dẫn, nơi một dây siêu dẫn được giữ dưới mật độ dòng điện quyết định. Khi hấp thụ một lượng tử, một vùng nóng được tạo ra, làm nhiễu mật độ dòng điện quyết định, dẫn đến một rào cản điện trở, có thể được đo là một đỉnh điện áp.
Những phát triển trong việc phát hiện đơn lượng tử đã đẩy lĩnh vực này vào thời đại công nghệ lượng tử. Việc khai thác phát hiện photon là cơ bản cho việc triển khai hệ thống mật mã lượng tử5, có thể cho phép truyền thông được bảo mật bằng các nguyên lý cơ bản của vật lý. Photon cũng là một ứng cử viên thú vị cho việc thực hiện các qubit trong tính toán lượng tử6. Các kỹ thuật cảm biến lượng tử đang mở ra các cách mới để khám phá thế giới xung quanh chúng ta bằng cách sử dụng photon đơn hoặc khai thác các tương quan tồn tại giữa các cặp photon có mối liên kết. Khi tôi hoàn thành khóa học tiến sĩ của mình, tôi đã quá quen thuộc với những thách thức của việc xây dựng thiết bị phát hiện đơn lượng tử. Ngay cả ngày nay, việc phát hiện một lượng tử đơn vẫn đòi hỏi sự nỗ lực của nhiều nhà nghiên cứu hơn để khai thác toàn bộ tiềm năng của nó.
Có nhiều ứng dụng hiện tại của việc phát hiện một lượng tử ánh sáng đơn. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến, kèm theo giải thích ngắn gọn về mỗi ứng dụng:
- Mật mã lượng tử: Phát hiện đơn lượng tử là cơ sở cho hệ thống mật mã lượng tử. Với khả năng phát hiện và đo lường các lượng tử ánh sáng đơn, hệ thống này có thể cung cấp mức độ bảo mật cao, dựa trên các nguyên lý vật lý cơ bản. Điều này có thể cho phép truyền thông an toàn và bảo mật thông qua việc sử dụng các khóa lượng tử.
- Tính toán lượng tử: Photon đơn là một ứng cử viên hứa hẹn cho việc xây dựng qubit trong tính toán lượng tử. Với khả năng phát hiện và kiểm soát các photon đơn, nền tảng tính toán lượng tử có thể được phát triển, mở ra cánh cửa cho các ứng dụng tính toán mạnh mẽ và tốc độ cao hơn so với tính toán cổ điển.
- Cảm biến lượng tử: Phát hiện một photon đơn cung cấp các phương pháp mới để khám phá và đo lường thế giới xung quanh chúng ta. Sử dụng photon đơn hoặc khai thác các tương quan giữa các cặp photon liên kết, các kỹ thuật cảm biến lượng tử có thể cung cấp thông tin chi tiết về môi trường, từ việc đo lường ánh sáng yếu đến phân tích chất lượng nước hay xác định vị trí chính xác.
- Hình ảnh học lượng tử: Phát hiện đơn lượng tử cung cấp cơ sở cho hình ảnh học lượng tử, cho phép chụp ảnh và tạo hình ảnh với độ nhạy cao và độ phân giải cao. Việc sử dụng photon đơn cho hình ảnh học lượng tử mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực y học, khoa học vật liệu và nghiên cứu viễn thông.
- Đo lường và phân tích quang phổ: Phát hiện đơn lượng tử cung cấp phương pháp chính xác và nhạy bén để đo lường và phân tích quang phổ của các vật liệu.
Thông tin tác giả:
Scientific Reports, London, UK
Silvia Butera
