Động cơ quang học dùng ánh sáng trắng của Trung Quốc: Bước đệm vững chắc cho mạng lưới 6G

Hệ thống phát laser này sẽ được tích hợp cùng các hệ thống tần số vô tuyến, đảm bảo dịch vụ mạng luôn liên tục và không bị cô lập trong điều kiện thời tiết xấu. Ảnh: China Media Group

Các nhà khoa học vừa công bố một bước tiến mang tính bước ngoặt khi phát triển thành công các động cơ vận hành bằng tia laser hứa hẹn trở thành hạ tầng cốt lõi cho mạng lưới 6G thông minh tương lai. Bằng việc trình diễn một động cơ quang học làm từ vật liệu gốm dễ sản xuất, sử dụng ánh sáng trắng để truyền tải thông tin đi xa, nhóm nghiên cứu đã đặt viên gạch đầu tiên cho thế hệ mạng không dây 6G tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI).

Tầm nhìn vượt trội của mạng lưới 6G tương lai

Nếu mạng không dây 5G hiện tại được ví như những đường cao tốc thông tin tốc độ cao, thì kiến trúc 6G tương lai sẽ định nghĩa lại hoàn toàn khái niệm kết nối. Được tích hợp sâu vào điện thoại thông minh và các hạ tầng đô thị như hệ thống đèn đường, mạng 6G không chỉ tăng tốc độ truyền tải lên gấp 10 lần, vượt một bậc đại lượng, mà còn sở hữu khả năng nhìn, nghe và tư duy để nhận biết con người, vật thể cũng như các chuyển động vi mô.

Đặc biệt, nhờ hợp nhất dữ liệu từ hệ thống vệ tinh quỹ đạo tầm thấp, công nghệ 6G mới sẽ xóa bỏ hoàn toàn mọi vùng trắng sóng, mang internet tốc độ cao đến những địa hình hiểm trở và khó tiếp cận nhất như sa mạc, đại dương hay các vùng núi sâu.

Giải quyết bài toán hạ tầng và rào cản công nghệ

Trước đây, lộ trình thương mại hóa 6G luôn vấp phải những rào cản lớn về mặt vật lý và kinh tế. Lớn nhất trong số đó là áp lực hạ tầng từ nhu cầu thiết lập mật độ trạm cơ sở siêu dày đặc kéo theo chi phí năng lượng và vận hành khổng lồ. Đồng thời, các kỹ sư cũng đối mặt với giới hạn phần cứng khi tìm cách tích hợp các vật liệu phát quang hiệu suất cao và bộ dò quang học tốc độ cao vào các thiết bị cấu hình nhỏ gọn, có khả năng sản xuất hàng loạt với giá thành thấp.

Trong khi hệ thống truyền thông bằng ánh sáng khả kiến dựa trên đèn LED truyền thống bị giới hạn trong phạm vi vài mét, động cơ quang học thế hệ mới này đã phá vỡ ranh giới đó khi truyền tải dữ liệu thành công ở khoảng cách vượt trội hơn 1,2 km. Theo nghiên cứu công bố ngày 22/5 trên tạp chí khoa học danh tiếng Matter của Cell Press, thành tựu này đã cung cấp bằng chứng thực nghiệm trực tiếp đầu tiên hỗ trợ cho công nghệ 6G.

Giáo sư Hạ Chí Quốc thuộc Đại học Công nghệ Nam Trung Hoa tại Quảng Châu, Trung Quốc nhận định rằng công nghệ 6G cho đến nay vốn tồn tại phần lớn ở mức độ lý thuyết. Do đó, thành tựu này sẽ tạo ra một bước chuyển dịch mang tính thời đại từ kết nối thuần túy sang kết nối thông minh. Ông cũng khẳng định đây là một kỷ lục hiệu suất vượt xa công nghệ truyền thống, mở ra tiềm năng ứng dụng chiếu sáng laser vào các kịch bản thực tế như logistics bằng máy bay không người lái và giao thông hàng không tầm thấp.

Bí mật công nghệ từ vật liệu gốm quang học giá rẻ

Để giải quyết bài toán chi phí và hạ tầng, nhóm nghiên cứu đã tối ưu hóa động cơ quang học bằng cách sử dụng ánh sáng trắng chất lượng cao để truyền tải lượng dữ liệu khổng lồ qua khoảng cách lớn. Chìa khóa của cấu trúc tiên phong này nằm ở phương pháp chế tạo vật liệu gốm bán trong suốt ở quy mô tấm lót thương mại thông qua quá trình kết tinh thủy tinh theo từng giai đoạn trong hệ thủy tinh aluminosilicate của Lu2O3–CaO–MgO–Al2O3–SiO2. Bằng cách pha trộn các ion canxi với bột hợp chất thủy tinh, quy trình này đã loại bỏ hoàn toàn nhu cầu về các thiết bị ép áp suất cao đắt đỏ.

Kết hợp giữa thực nghiệm và mô hình hóa máy tính, nhóm nghiên cứu chứng minh rằng quá trình kết tinh mật độ cao này bắt nguồn từ việc tinh chỉnh rào cản năng lượng kết tinh và kích hoạt các kênh dịch chuyển ion trong mạng lưới thủy tinh vô định hình LCMAS:Ce. Đáng chú ý, loại gốm này có khả năng truyền nhiệt hiệu quả gấp 20 lần so với nhựa silicone truyền thống, giúp hệ thống chịu được mật độ năng lượng laser cực cao mà không bị suy hao hay tổn hại vật liệu.

Giới hạn hiện tại và định hướng tối ưu hóa toàn diện

Dù sở hữu tiềm năng lớn, công nghệ này vẫn tồn tại hai điểm nghẽn kỹ thuật cần được khắc phục. Về chất lượng ánh sáng, động cơ hiện chủ yếu phát quang trong vùng màu vàng với bước sóng từ 500–650 nm và thiếu thành phần ánh sáng đỏ, làm hạn chế chỉ số hoàn màu, vốn là thước đo độ chân thực của màu sắc dưới ánh sáng nhân tạo so với ánh sáng mặt trời. Về tốc độ băng thông, hệ thống hiện tại vẫn vận hành ở mức thấp hơn đáng kể so với cáp quang truyền thống.

Để phát triển sâu hơn động cơ quang học này, nhóm nghiên cứu đã lên kế hoạch tối ưu hóa toàn diện trên cả hai mũi nhọn vật liệu và vận hành. Trước hết, họ sẽ tập trung thử nghiệm các cấu trúc vật liệu phát quang mới có thời gian tồn tại huỳnh quang ngắn hơn, kết hợp băng thông phát xạ có thể điều chỉnh linh hoạt nhằm đẩy tốc độ truyền dữ liệu lên ngưỡng tối đa. Song song đó, các khoa học cũng sẽ tích hợp đồng bộ hệ thống phát laser với các hệ thống tần số vô tuyến, tạo ra một cơ chế hybrid dự phòng hoàn hảo giúp duy trì dịch vụ mạng luôn liên tục và ổn định bất chấp thời tiết bất lợi.

AI và mục tiêu hợp nhất mạng lưới toàn cầu

Về mặt điều phối hạ tầng, trí tuệ nhân tạo sẽ đóng vai trò hạt nhân cốt lõi. Giáo sư Hạ Chí Quốc cho biết thêm rằng cơ chế tự thích ứng liên kết do AI điều khiển có khả năng định cấu hình linh hoạt tốc độ dữ liệu và công suất quang học theo thời gian thực dựa trên điều kiện môi trường.

Mục tiêu cuối cùng của công nghệ này là hiện thực hóa kiến trúc mạng 6G tích hợp hoàn hảo ba không gian bao gồm Vũ trụ, Không trung và Mặt đất, đảm bảo vùng phủ sóng toàn cầu diện rộng và đạt được độ tin cậy tối ưu cho người dùng.