Các nhà vật lý tại Đại học Pennsylvania (Hoa Kỳ) vừa tạo ra một loại hạt lai mang đồng thời tính chất của ánh sáng và vật chất, có khả năng tương tác đủ mạnh để thực hiện các phép tính. Bước tiến này, được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, mở ra triển vọng cho các chip quang tử siêu nhanh, tiêu thụ ít năng lượng phục vụ trí tuệ nhân tạo.

Tám mươi năm trước, chính các nhà nghiên cứu tại Đại học Pennsylvania đã khai sinh kỷ nguyên máy tính điện tử với ENIAC - máy tính điện tử đa năng đầu tiên trên thế giới - sử dụng điện tử để giải các bài toán phức tạp. Đến nay, kiến trúc đó vẫn là nền tảng của máy tính hiện đại, nhưng điện tử đang bộc lộ giới hạn. Do mang điện tích, nên chúng tiêu hao năng lượng dưới dạng nhiệt, gặp điện trở khi di chuyển trong vật liệu và ngày càng khó kiểm soát khi chip tích hợp nhiều transistor và xử lý khối lượng dữ liệu lớn hơn.

Photon - hạt cấu thành ánh sáng - có thể giải quyết một phần các vấn đề này, nhờ khả năng truyền tải thông tin nhanh và tổn hao thấp. Tuy nhiên, chính đặc tính trung hòa điện khiến photon hầu như không tương tác với môi trường xung quanh, làm chúng kém hiệu quả trong các thao tác chuyển mạch tín hiệu mà máy tính cần đến.

Để khắc phục hạn chế đó, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Bo Zhen dẫn đầu đã phát triển một loại giả hạt đặc biệt gọi là exciton-polariton. Đây là trạng thái lai hình thành khi photon liên kết chặt chẽ với các kích thích điện tử bên trong vật liệu, đến mức chúng không còn hoạt động độc lập mà hành xử như một thực thể thống nhất, kết hợp tốc độ của ánh sáng với khả năng tương tác của vật chất. Nhóm nghiên cứu đạt được điều này bằng cách sử dụng một vật liệu bán dẫn đơn lớp mỏng cỡ nguyên tử, đặt bên trong một hốc cộng hưởng quang học cấp độ nano để giam giữ và điều khiển ánh sáng.

Sử dụng exciton-polariton, nhóm nghiên cứu đã trình diễn khả năng chuyển mạch hoàn toàn bằng ánh sáng - trong đó một tín hiệu ánh sáng trực tiếp điều khiển một tín hiệu khác mà không cần chuyển đổi sang điện - chỉ với khoảng 4 phần triệu tỷ joule năng lượng. Đây là mức năng lượng cực kỳ nhỏ, thấp hơn nhiều so với mức cần thiết để thắp sáng một đèn LED tí hon trong chốc lát, đồng thời thiết lập một chuẩn mới về năng lượng chuyển mạch cho các hệ exciton-polariton hai chiều.

Nếu công nghệ này được mở rộng quy mô thành công, nó có thể tạo ra các chip quang tử có khả năng xử lý trực tiếp thông tin từ camera mà không cần liên tục chuyển đổi qua lại giữa ánh sáng và điện. Hướng tiếp cận này cũng có thể giảm đáng kể nhu cầu năng lượng khổng lồ của các hệ thống AI lớn, và về lâu dài có thể hỗ trợ các chức năng tính toán lượng tử cơ bản trên các chip tương lai.

N.P.A (NASTIS), theo University of Pennsylvania