Chip thủy tinh được tạo ra bằng tia laser chứng minh tiềm năng của nền tảng thủy tinh cho truyền thông lượng tử. Nguồn ảnh: Marco Avesani, Đại học Padua.

Công nghệ thủy tinh mang lại bước đột phá về an ninh lượng tử

Khi máy tính lượng tử ngày càng mạnh mẽ hơn, nhiều phương pháp mã hóa hiện tại cuối cùng có thể trở nên dễ bị tổn thương. Một giải pháp đầy hứa hẹn là mật mã lượng tử, dựa trên các định luật vật lý chứ không phải độ phức tạp toán học để giữ an toàn cho dữ liệu. Tuy nhiên, để biến giao tiếp lượng tử thành hiện thực, cần có các thiết bị nhỏ gọn, đáng tin cậy có thể đọc chính xác các tín hiệu lượng tử tinh tế được truyền tải bởi ánh sáng.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Padua, Đại học Bách khoa Milan và Viện Quang tử và Công nghệ Nano CNR đã chứng minh một phương pháp mới sử dụng một vật liệu bất ngờ: thủy tinh borosilicat. Được công bố trên Tạp chí Advanced Photonics, nghiên cứu của họ mô tả một bộ thu lượng tử kết hợp hiệu suất cao được chế tạo trực tiếp bên trong thủy tinh bằng cách sử dụng tia laser femtô giây. Phương pháp này mang lại tổn hao quang học thấp, hiệu suất ổn định và khả năng tương thích với các hệ thống cáp quang hiện có, tất cả đều rất quan trọng để đưa công nghệ lượng tử vượt ra khỏi phạm vi thí nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Vì sao thủy tinh vượt trội hơn silicon trong các thiết bị lượng tử?

Xử lý thông tin lượng tử biến liên tục (CV), được sử dụng trong phân phối khóa lượng tử (QKD) và tạo số ngẫu nhiên lượng tử (QRNG), phụ thuộc vào việc đo biên độ và pha của sóng ánh sáng. Để làm điều này, một bộ thu tín hiệu đồng bộ sẽ kết hợp tín hiệu lượng tử yếu với một chùm tia tham chiếu mạnh hơn và phân tích sự giao thoa giữa chúng.

Hầu hết các bộ thu tích hợp hiện nay được làm từ silicon. Mặc dù silicon được sử dụng rộng rãi và hỗ trợ tích hợp cao, nhưng nó nhạy cảm với sự phân cực và có xu hướng gây ra tổn hao quang học cao hơn, điều này có thể hạn chế hiệu suất và độ tin cậy trong các hệ thống lượng tử.

Thủy tinh mang lại một số ưu điểm. Nó vốn không nhạy cảm với sự phân cực, có độ ổn định cao và cho phép tạo ra các ống dẫn sóng trong không gian ba chiều với tổn thất tín hiệu tối thiểu. Bằng cách sử dụng kỹ thuật vi gia công bằng laser femtosec, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các đường dẫn ánh sáng trực tiếp bên trong vật liệu, hình thành các mạch quang tử nhỏ gọn mà không cần đến sự phức tạp của quá trình sản xuất chất bán dẫn.

Bên trong bộ thu lượng tử được viết bằng laser

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra một bộ thu heterodyne có thể điều chỉnh hoàn toàn, một thành phần quan trọng cho CV-QKD và CV-QRNG, bằng cách ghi trực tiếp mạch quang học bên trong thủy tinh borosilicate. Chip này bao gồm:

• Bộ chia chùm tia cố định và có thể điều chỉnh
• Bộ dịch pha nhiệt quang để điều khiển điện chính xác
• Giao điểm của ống dẫn sóng ba chiều
• Bộ ghép định hướng không phụ thuộc vào phân cực

Những đặc điểm này cho phép tín hiệu lượng tử và chùm tia tham chiếu tương tác theo cách được kiểm soát, cho phép đo đồng thời hai đại lượng vuông góc liên hợp. Thiết bị cũng thể hiện:

• Suy hao chèn cực thấp (≈1 dB)
• Hoạt động không phụ thuộc vào phân cực
• Tỷ lệ loại bỏ nhiễu chế độ chung trên 73 dB, cho thấy khả năng triệt tiêu nhiễu nền mạnh mẽ.
• Hiệu suất tín hiệu trên nhiễu ổn định trong ít nhất 8 giờ.

Nhìn chung, những kết quả này tương đương hoặc vượt trội hơn hiệu năng của nhiều bộ thu quang tử dựa trên silicon.

Một con chip, hai công nghệ lượng tử

Nhờ sự kết hợp giữa tổn hao thấp, khả năng điều chỉnh và độ ổn định, thiết bị này có thể xử lý nhiều tác vụ truyền thông lượng tử mà không cần phần cứng khác nhau. Khi được sử dụng như một bộ dò heterodyne, nó cho phép tạo ra một hệ thống tạo số ngẫu nhiên lượng tử (QRNG) độc lập với thiết bị nguồn, nghĩa là hệ thống vẫn an toàn ngay cả khi tín hiệu quang đến không đáng tin cậy. Chip này đã đạt được tốc độ tạo bit ngẫu nhiên an toàn là 42,7 Gbit/s, lập kỷ lục cho loại hệ thống này.

Cùng một con chip này cũng được sử dụng cho giao thức CV-QKD dựa trên QPSK, trong đó thông tin được mã hóa trong một chòm sao bốn điểm của các trạng thái lượng tử. Trong một liên kết cáp quang mô phỏng dài 9,3 km, hệ thống đạt được tốc độ khóa bí mật 3,2 Mbit/s. Những kết quả này cho thấy rằng một giao diện quang học dựa trên thủy tinh có thể hỗ trợ CV-QKD tiên tiến mà không gặp phải những nhược điểm thường thấy ở các nền tảng silicon.

Tiến gần hơn đến ứng dụng thực tiễn

Bên cạnh hiệu năng vượt trội, nghiên cứu này còn nêu bật một số lợi ích thiết thực của việc sử dụng thủy tinh trong quang học lượng tử tích hợp:

• Độ ổn định môi trường: Thủy tinh là chất trơ và có khả năng chịu được sự thay đổi nhiệt độ và tác động cơ học.
• Ghép nối sợi quang tổn hao thấp: Ống dẫn sóng có kích thước gần giống với kích thước sợi quang viễn thông tiêu chuẩn.
• Tính linh hoạt trong thiết kế 3D: Các mạch điện có thể bao gồm các điểm giao nhau và bố cục phức tạp mà không làm tăng thêm tổn hao tín hiệu.
• Khả năng mở rộng và hiệu quả chi phí: Khắc laser femtosec cho phép tạo mẫu nhanh chóng mà không cần sản xuất chất bán dẫn đắt tiền.
• Những đặc tính này hỗ trợ độ tin cậy và độ bền lâu dài, điều quan trọng cho việc triển khai thực tế và thậm chí cả khả năng sử dụng trong các hệ thống truyền thông lượng tử dựa trên không gian. Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng quang học dựa trên thủy tinh có thể giúp thu hẹp khoảng cách giữa các thiết lập thí nghiệm và các mạng lượng tử thực tế.

Hướng tới các mạng truyền thông lượng tử có khả năng mở rộng

Bằng cách tận dụng những ưu điểm này, nhóm nghiên cứu đã chứng minh hai ứng dụng chính trên một con chip duy nhất: một bộ tạo số ngẫu nhiên lượng tử (QRNG) độc lập với thiết bị nguồn với tốc độ tạo khóa an toàn cao kỷ lục là 42,7 Gbit/s, và một hệ thống CV-QKD dựa trên QPSK đạt tốc độ tạo khóa an toàn 3,2 Mbit/s trên một liên kết cáp quang mô phỏng dài 9,3 km.

Ngoài những kết quả trên, nghiên cứu này chỉ ra rằng quang học tích hợp dựa trên thủy tinh là một nền tảng bền vững và linh hoạt cho các công nghệ lượng tử trong tương lai. Thủy tinh ổn định, tiết kiệm chi phí và có khả năng chống chịu môi trường khắc nghiệt, rất phù hợp cho việc triển khai quy mô lớn. Cách tiếp cận này có thể giúp chuyển đổi truyền thông lượng tử từ môi trường phòng thí nghiệm được kiểm soát sang cơ sở hạ tầng thực tế, đánh dấu một bước quan trọng hướng tới việc xây dựng mạng lưới lượng tử toàn cầu.