Mới đây, các nhà nghiên cứu tại đại học kỹ thuật Darmstadt (Đức) đã thành công với thí nghiệm ngưng đọng ánh sáng trong tinh thể và lưu trữ thông tin mã hóa kĩ thuật số trong 1 phút. Kỹ thuật của đại học Darmstadt đã phá vỡ mọi kỉ lục trước đây đồng thời chứng minh sự hữu dụng trong việc phát triển các hệ thống máy tính quang học/lượng tử nhanh hơn và hiệu quả hơn.
Như đã biết, các công nghệ hiện tại sử dụng vi xử lý bán dẫn và thiết bị lưu trữ để tính toán và lưu trữ dữ liệu bằng điện tử. Tuy nhiên, với nhu cầu truyền tải dữ liệu bằng phương pháp quang học, điển hình như cáp quang đang ngày một tăng thì việc chuyển sang sử dụng một hệ thống quang học hoàn toàn là một gợi ý rất hấp dẫn.
Photon là một hạt cơ bản đồng thời là hạt lượng tử của trường điện từ và ánh sáng cũng như mọi dạng bức xạ điện từ khác. Photon hiển nhiên khó tương tác và vận dụng hơn so với electron nhưng rào cản này có thể được dỡ bỏ và việc chuyển đổi từ điện tử sang một hệ sinh thái photon sẽ mang lại nhiều lợi thế.
Các thành phần electron khi hoạt động sẽ gây thất thoát một lượng năng lượng nhiệt lớn, trong khi tỉ lệ thất thoát của photon rất giới hạn. Thêm vào đó, các thành phần lưu trữ và tính toán quang học cũng có thể kháng bức xạ, băng thông truyền tải cao hơn và cho phép khai thác từng photon đơn lẻ. Điều này có nghĩa hiệu năng của hệ thống sẽ tốt hơn tính trên tỉ lệ năng lượng thất thoát nhỏ nhất.
Georg Heinze, thành viên nhóm nghiên cứu cho biết: "Mặc dù phương pháp lưu trữ dữ liệu truyền thống hiện đã mang lại tỉ lệ đọc/ghi rất cao nhưng lưu trữ quang học tiềm năng còn nhanh hơn nhiều. Nếu mọi thứ được vận hành bằng quang học, các xung quang học trong tín hiệu điện tử không cần phải chuyển đổi và ngược lại."
Thông tin được duy trì trong tinh thể trong 60 giây.
Để lưu dữ liệu trong một thiết bị quang học, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một kĩ thuật có tên Electromagnetically Induced Transparency (EIT). Kĩ thuật này bao gồm việc bắn một "chùm laser điều khiển" vào một tinh thể có chứa các ion của nguyên tố Praseodymium (Prazeodim - Pr). Laser kích hoạt một phản ứng lượng tử trong tinh thể gây ra 2 hiệu ứng cùng lúc. Hiệu ứng đầu tiên là tinh thể trong mờ bình thường trở nên trong suốt và hiệu ứng thứ 2, chỉ số phản xạ của tinh thể thay đổi đột ngột, làm chậm các xung ánh sáng hướng tới cho đến khi dừng hẳn.
Vào lúc này, các nhà nghiên cứu bắn tiếp một chùm laser chứa dữ liệu đã lưu vào tinh thể. Tại một thời khắc chính xác khi chùm laser mang dữ liệu chiếu xuyên qua tinh thể đang ở trạng thái trong suốt tạm thời, chùm laser điều khiển sẽ lập tức được tắt đi, ánh sáng và dữ liệu bị "nhốt" lại bên trong tinh thể bởi lúc này nó không còn trong suốt nữa. Các photon được chuyển đổi thành các nguyên tử kích ứng vòng tròn hay sóng tròn. Chúng có thể được lưu trong tinh thể cho đến khi chùm laser điều khiển được bắn trở lại và sóng tròn được chuyển thành ánh sáng thoát khỏi tinh thể.
Các nhà khoa học đã sử dụng kĩ thuật trên trong nhiều thí nghiệm trước đó nhưng họ chỉ có thể lưu dữ liệu trong vài phần triệu giây. Sóng tròn rất mỏng và việc phải tiếp xúc với năng lượng dao động có thể làm hỏng thông tin mà nó mã hóa. Vì vậy, nhóm nghiên cứu tại đại học Darmstadt đã tìm cách kéo dài thời gian lưu trữ. Bước tiếp cận của họ là phát triển một thuật toán cảm nhận tiếng ồn, từ trường và các xung tần số cao đặt lên tinh thể nhằm duy trì sóng tròn ở trạng thái nguyên bản. Nhờ đó, thông tin có thể được giữ an toàn càng lâu càng tốt và điểm mốc mà nhóm đạt được là 1 phút.
"Trong thí nghiệm chứng minh nguyên lý đầu tiên, chúng tôi đã tập trung vào thời lượng thay vì tỉ lệ truyền tải," Heinze nói. "Tuy nhiên, chúng tôi đã chứng minh rằng hoàn toàn có thể tăng dung lượng lưu trữ của bộ nhớ quang học và đây là một tính năng quan trọng đối với các bộ nhớ lượng tử multiplex."
Dựa trên kết quả vừa đạt được, các nhà nghiên cứu hiện đang tìm cách lưu giữ ánh sáng lâu hơn (tối đa 1 tuần) với tốc độ truyền tải cao hơn.
Heinze cho biết sẽ mất nhiều năm nữa trước khi công nghệ này sẵn sàng để thương mại hóa và thậm chí sẽ mất vài thập kỷ trước khi những thiết bị tiêu dùng quang học hoàn toàn trở nên phổ biến.
