Ngày nay, chúng ta đang sống trong cuộc chạy đua phát triển máy tính lượng tử, một loại máy tính có thể sử dụng cho các ứng dụng thực tế. Thiết bị này, được xây dựng dựa trên nguyên tắc cơ học lượng tử, có tiềm năng thực hiện các nhiệm vụ tính toán vượt xa khả năng của các siêu máy tính nhanh nhất hiện nay. Máy tính lượng tử và các công nghệ hỗ trợ lượng tử khác có thể thúc đẩy những tiến bộ đáng kể trong các lĩnh vực như an ninh mạng và mô phỏng phân tử, tác động và thậm chí cách mạng hóa các lĩnh vực như bảo mật trực tuyến, khám phá thuốc và chế tạo vật liệu.

Một nhánh của cuộc đua công nghệ này đang xây dựng một thứ được biết đến trong giới khoa học và kỹ thuật là "máy mô phỏng lượng tử"-một loại máy tính lượng tử đặc biệt, được chế tạo để giải một mô hình phương trình cho một mục đích cụ thể ngoài khả năng tính toán của một máy tính tiêu chuẩn. Ví dụ, trong nghiên cứu y học, về mặt lý thuyết, một trình mô phỏng lượng tử có thể được chế tạo để giúp các nhà khoa học mô phỏng một tương tác phân tử phức tạp, cụ thể để nghiên cứu kỹ hơn, nâng cao hiểu biết khoa học và tăng tốc độ phát triển thuốc.

Nhưng cũng giống như việc xây dựng một máy tính lượng tử thực tế và có thể sử dụng được, việc xây dựng một trình mô phỏng lượng tử hữu ích đã được chứng minh là một thách thức khó khăn. Ý tưởng này lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà toán học Yuuri Manin vào năm 1980. Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã cố gắng sử dụng các ion bị bẫy, nguyên tử lạnh và qubit siêu dẫn để xây dựng một mô phỏng lượng tử có khả năng ứng dụng trong thế giới thực, nhưng cho đến nay, tất cả các phương pháp này vẫn là một công việc đang được tiến hành.

Những tiến bộ gần đây trong thiết kế và chế tạo hệ thống siêu dẫn đã dẫn đến một số triển khai thành công các mô phỏng lượng tử nguyên mẫu để chứng minh các hệ lượng tử quy mô nhỏ. Tuy nhiên, đã có những thách thức trong việc mở rộng các hệ thống này đến kích thước có thể sử dụng được, cũng như những khó khăn trong vận hành khi cố gắng sử dụng các hệ thống siêu dẫn để mô phỏng các vật liệu lượng tử thực tế.

Giờ đây, một nhóm nghiên cứu của Đại học Washington do Arka Majumdar, phó giáo sư vật lý, kỹ thuật điện và máy tính của UW dẫn đầu, đã đưa nỗ lực này tiến thêm một bước quan trọng. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh trên tạp chí Nature Communications rằng một loại chip quang tử silicon mới có thể hoạt động như một nền tảng vững chắc để xây dựng một bộ mô phỏng lượng tử, có những ứng dụng hữu ích trong thế giới thực.

Majumdar là chuyên gia về quang học, lượng tử học và phát triển công nghệ lượng tử. Tại UW, ngoài trách nhiệm giảng dạy và nghiên cứu, ông còn là đồng chủ tịch của QuantumX và là thành viên của Viện Hệ thống Kỹ thuật Nano.

Majumdar cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh rằng quang tử học là ứng cử viên hàng đầu cho mô phỏng lượng tử và chip quang tử là một thực tế. Chúng tôi tin rằng những con chip này có thể đóng một vai trò rất quan trọng trong việc xây dựng một mô phỏng lượng tử”.

Gần đây, Abhi Saxena, tác giả chính của bài báo và là cựu sinh viên UW ECE, cho biết thêm: “Đây là một nền tảng rất tốt để hiện thực hóa một trình mô phỏng lượng tử hữu ích có thể mở rộng quy mô thành kích thước lớn”.

Saxena tốt nghiệp năm 2023 với bằng tiến sĩ và hiện đang làm việc cho Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST) ở Boulder, Colorado.

Các thành viên khác của nhóm nghiên cứu bao gồm Arnab Manna, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại khoa vật lý và Trợ lý Giáo sư Rahul Trivedi của UW ECE, một chuyên gia về hệ thống lượng tử, người đã hỗ trợ nhóm về các khía cạnh lý thuyết trong nghiên cứu của họ.

Ưu điểm của chip quang tử silicon-có thể mở rộng, đo lường được, lập trình được:

Quang tử học là một nhánh của quang học (nghiên cứu hành vi và tính chất của ánh sáng) áp dụng việc tạo ra, phát hiện và điều khiển ánh sáng để có thể tạo ra một loạt công nghệ, chẳng hạn như laser, sợi quang và điốt phát sáng (LED). Ưu điểm chính của quang tử học so với các phương pháp xây dựng nền tảng mô phỏng lượng tử khác là các thiết bị quang tử có thể được chế tạo trong các xưởng CMOS, vốn đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ để sản xuất chip bán dẫn.

Saxena cho biết: “Quy trình chế tạo mà chúng tôi thực hiện đối với con chip này có thể trực tiếp bám vào quá trình chế tạo silicon vốn đã hoàn thiện mà chúng tôi thực hiện cho bóng bán dẫn và các chip máy tính khác. Trong khi đó đối với các nền tảng mô phỏng lượng tử khác thì điều đó là không khả thi, mặc dù nhiều nền tảng trong số đó đã trình diễn các thiết bị nguyên mẫu”.

Ví dụ: nhóm nghiên cứu đã tạo ra chip quang tử silicon của họ tại Cơ sở Chế tạo Nano Washington trong khuôn viên UW. Phương pháp chế tạo của họ sẽ giúp giảm chi phí sản xuất để xây dựng một trình mô phỏng lượng tử và có lẽ quan trọng hơn là giúp có thể mở rộng quy mô chip đủ để sử dụng được trong nhiều loại thiết bị mô phỏng lượng tử.

Trung tâm của con chip mà nhóm thiết kế là một “mảng khoang cộng hưởng quang tử”. Đó là nơi mà các photon có thể bị giam giữ, tăng giảm năng lượng và di chuyển xung quanh một cách có kiểm soát, về cơ bản hình thành các mạch điện.

Những cải tiến kỹ thuật quan trọng của nhóm liên quan đến mảng bao gồm việc tạo ra một thuật toán toán học cho phép chúng ánh xạ hoặc mô tả chi tiết con chip, chỉ sử dụng thông tin có sẵn trên ranh giới của con chip và thiết kế một loại kiến trúc mới để gia nhiệt một cách độc lập kiểm soát từng khoang trong mảng, cho phép nhóm lập trình thiết bị. Theo Majumdar và Saxena, hai cải tiến này trên chip quang tử silicon chưa bao giờ được thực hiện trước đây.

Majumdar cho biết: “Chúng tôi đang trình diễn mọi thứ trên một con chip và chúng tôi đã thể hiện khả năng mở rộng, khả năng đo lường và khả năng lập trình - giải quyết ba trong số bốn trở ngại chính khi sử dụng chip quang tử silicon làm nền tảng cho trình mô phỏng lượng tử. Giải pháp của chúng tôi có kích thước nhỏ, không dễ bị sai lệch và chúng tôi có thể lập trình nó".

Những mục tiêu trong tương lai là gì

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu tìm cách giải quyết những gì họ coi là trở ngại lớn thứ tư và cuối cùng là xây dựng một trình mô phỏng lượng tử hoàn chỉnh, tạo ra một điều kiện gọi là "phi tuyến tính". Không giống như các electron thường thấy trong các mạch điện tử, chúng đẩy nhau vì điện tích âm, các photon, về bản chất, không tương tác với nhau. Cần có một tương tác tương đương trong một trình mô phỏng lượng tử để tạo ra tính phi tuyến và hoàn thiện mạch điện. Nhóm hiện đang khám phá một số cách tiếp cận khác nhau để giải quyết vấn đề này.

Ngoài ra, chương trình của nhóm nghiên cứu là tinh chỉnh chip quang tử silicon của họ, tối ưu hóa nó cho các xưởng đúc chip tiêu chuẩn, để chip có thể được sản xuất tại các nhà máy chế tạo chất bán dẫn trên khắp thế giới. Majumdar và Saxena đều nói rằng khía cạnh phát triển này, nói một cách tương đối, sẽ là một rào cản dễ dàng hơn và họ bày tỏ sự lạc quan về tác động mà con chip của họ sẽ mang lại.

Saxena cho biết: “Thông qua công việc này, chúng tôi đã trình bày một nền tảng vững chắc cho một nền tảng thể hiện quang tử học và công nghệ dựa trên chất bán dẫn mà chúng tôi đang sử dụng như những giải pháp thay thế khả thi để tạo ra các mô phỏng lượng tử, Tôi nghĩ rằng cho đến nay, nhiều người trong cộng đồng khoa học và kỹ thuật thường tránh xem xét quang tử cho mục đích này. Nhưng công trình của chúng tôi cho thấy rằng điều đó có thể thực hiện được trên thực tế, vì vậy đây là một động lực rất tốt để nhiều người bắt đầu đi theo hướng này".

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/news/2023-09-kind-chip-quantum-technology.html, 28/9/2023