Đại học Monash và Melbourne phát triển công nghệ truyền thông không dây quang học mô phỏng lượng tử cho mạng 6G

Các nhóm nghiên cứu hàng đầu từ Đại học Monash và Đại học Melbourne đang cùng nhau hợp tác để phát triển một phương thức tiếp cận mang tính cách mạng trong lĩnh vực truyền thông không dây quang học. Mục tiêu cốt lõi của công trình này là giải quyết triệt để những thách thức kỹ thuật nghiêm trọng dự kiến sẽ phát sinh trong kỷ nguyên của mạng viễn thông thế hệ thứ sáu (6G). Bằng cách khéo léo tích hợp các nguyên lý nền tảng của vật lý lượng tử vào các hệ thống quang học hiện đại, nhóm nghiên cứu hướng tới việc đạt được tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, độ tin cậy cao hơn và hiệu quả sử dụng năng lượng tối ưu. Điều này đặc biệt có ý nghĩa quan trọng đối với các môi trường nội bộ có mật độ kết nối dày đặc, tiêu biểu là các trung tâm dữ liệu khổng lồ đang ngày càng phổ biến hiện nay.

Giáo sư Thas Nirmalathas từ Đại học Melbourne, một trong những người tiên phong trong lĩnh vực truyền thông quang học không dây, cho biết kiến trúc mới này được thiết kế nhằm cung cấp băng thông rộng lớn, có thể so sánh trực tiếp với hiệu suất của cáp quang nhưng lại được triển khai trong các mạng không dây. Điểm đổi mới mang tính đột phá nằm ở sự chuyển dịch từ việc sử dụng phổ tần vô tuyến truyền thống (dao động từ 3 kHz đến 300 GHz) sang các tín hiệu không dây quang học tiên tiến. Những tín hiệu này không chỉ đơn thuần là ánh sáng mà được định hình và điều hướng một cách tinh vi thông qua các kỹ thuật kết hợp (coherence) lấy cảm hứng trực tiếp từ các nguyên lý của cơ học lượng tử.

Thành phần then chốt của hệ thống này là một phương pháp tiếp cận mô-đun dựa trên các mảng pha quang học (optical phased arrays), vốn tận dụng các nguyên lý thiết kế lượng tử để tối ưu hóa hiệu suất. Cấu trúc đặc biệt này cho phép một tập hợp gồm nhiều bộ phát quang học kích thước nhỏ hoạt động đồng bộ như một nguồn phát duy nhất với khả năng hội tụ cực cao. Cơ chế này tương tự như hiện tượng siêu bức xạ (super-radiance) thường được quan sát thấy trong các thiết bị lượng tử, đảm bảo việc truyền tín hiệu mạnh mẽ và có định hướng chính xác. Điều này là vô cùng cần thiết để giảm thiểu tình trạng nhiễu sóng và tăng cường độ ổn định cho mạng lưới trong các cấu hình không gian phức tạp.

Phân tích về những rào cản hiện tại, Giáo sư Malin Premaratne từ Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính của Đại học Monash nhấn mạnh rằng các phương pháp không dây truyền thống đang đối mặt với những giới hạn vật lý cơ bản khi mật độ thiết bị tăng cao. Trong những môi trường như vậy, sự nhiễu loạn tín hiệu gia tăng đáng kể, độ tin cậy bị suy giảm, đồng thời mức tiêu thụ năng lượng và lượng nhiệt tỏa ra trở thành những yếu tố hạn chế hiệu suất hoạt động. Việc mở rộng các hệ thống truyền thống này thường đòi hỏi một cơ sở hạ tầng cáp nối vô cùng phức tạp và tốn kém, điều này vô hình trung làm giảm đi tính linh hoạt vốn có của các kết nối không dây.

Những kết quả nghiên cứu đầy hứa hẹn này đã được công bố chính thức trên tạp chí IEEE Communications Letters, đề xuất một giải pháp cho phép mở rộng quy mô mạng lưới mà không cần phải tiến hành tái cấu trúc toàn bộ hạ tầng hiện có. Thiết kế mô-đun không chỉ mang lại sự linh hoạt tối đa mà còn cho phép tập trung năng lượng một cách chính xác vào các điểm đích cần thiết. Công nghệ này được kỳ vọng sẽ giải quyết các bài toán kỹ thuật vượt xa phạm vi của các thiết bị người dùng thông thường, bao gồm cả các kết nối tốc độ siêu cao bên trong máy tính và các trung tâm dữ liệu – nơi mà những hạn chế về không gian, nhiệt độ và hệ thống dây cáp đang trở nên khắt khe hơn bao giờ hết.

Sự tích hợp sâu rộng các nguyên lý của vật lý lượng tử vào các hệ thống quang học không chỉ là một cải tiến kỹ thuật mà còn đại diện cho một bước chuyển đổi mô hình tiềm năng trong ngành truyền thông không dây toàn cầu. Khái niệm tương đồng với siêu bức xạ, trong đó một nhóm gồm N bộ phát được đồng bộ hóa hoàn hảo để tạo ra một xung tín hiệu có cường độ mạnh mẽ, tỷ lệ thuận với bình phương số lượng bộ phát (N^2), hứa hẹn mang lại độ kết hợp tín hiệu cực cao và khả năng tiết kiệm năng lượng vượt trội. Trong bối cảnh kiến trúc mạng 6G, nơi mà điện toán biên và trí tuệ nhân tạo phân tán đóng vai trò trung tâm, những bước đột phá ở tầng vật lý này là điều kiện tiên quyết để hiện thực hóa các mục tiêu về tốc độ truyền tải dữ liệu siêu lớn và độ trễ cực thấp ở mức dưới một phần nghìn giây. Công trình nghiên cứu này thực sự đang rút ngắn khoảng cách về hiệu suất giữa mạng không dây nội bộ và công nghệ cáp quang truyền thống.