Chip quang học nhỏ hơn sợi tóc gấp 100 lần, xài ít điện năng nhưng mạnh mẽ phi thường

Chìa khóa để máy tính lượng tử "cất cánh" với con chip quang học nhỏ hơn sợi tóc 100 lần nhưng mạnh mẽ phi thường.

Trong cuộc đua lượng tử toàn cầu, rào cản lớn nhất hiện nay không chỉ là tạo ra các qubit (bit lượng tử), mà là làm thế nào để kiểm soát hàng trăm nghìn qubit đó cùng lúc mà không cần một hệ thống phần cứng to bằng cả tòa nhà. Công nghệ mới này hứa hẹn sẽ đập tan rào cản đó.

Ảnh minh họa.

Các kiến trúc lượng tử hàng đầu hiện nay (như bẫy ion hay nguyên tử trung hòa) đều dựa vào tia laser để ghi và đọc thông tin. Để làm điều này chính xác, các nhà khoa học cần những hệ thống điều biến tần số laser.

Tuy nhiên, công nghệ hiện tại quá cồng kềnh. Giáo sư Matt Eichenfield, đồng tác giả nghiên cứu, nhận định thẳng thắn: "Bạn không thể xây dựng một máy tính lượng tử với 100.000 bộ điều biến quang điện khổng lồ nằm chật cứng trong một nhà kho đầy bàn quang học được. Điều đó là bất khả thi về mặt vật lý và năng lượng".

Giải pháp của nhóm nghiên cứu (gồm các chuyên gia từ Đại học Colorado Boulder và Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia) là một con chip sử dụng rung động tần số vi sóng để điều khiển ánh sáng laser.

Và kết quả họ thu được đầy kinh ngạc:

- Kích thước: Nhỏ hơn chiều rộng sợi tóc người gần 100 lần.

- Hiệu suất: Tiêu thụ năng lượng ít hơn 80 lần so với các thiết bị thương mại hiện có.

- Nhiệt độ: Tỏa nhiệt cực thấp, cho phép đặt hàng nghìn kênh điều khiển sát cạnh nhau trên một vi mạch duy nhất.

Chip quang học được phát triển trong nghiên cứu này sử dụng ánh sáng laser từ một mảng sợi quang.

Điều khiến phát minh này thực sự gây chấn động không chỉ nằm ở hiệu năng, mà ở cách nó được tạo ra. Nhóm nghiên cứu đã chế tạo con chip này bằng quy trình CMOS tiêu chuẩn.

Đây chính là công nghệ đang được dùng để sản xuất chip cho điện thoại, máy tính, ô tô và cả... lò nướng bánh trong các gia đình ngày nay. Điều này đồng nghĩa với việc chúng ta có thể sản xuất hàng loạt (mass-production) hàng triệu con chip lượng tử này với chi phí thấp, thay vì phải chế tạo thủ công từng thiết bị đắt đỏ như trước.

Ông Nils Otterstrom, đồng tác giả nghiên cứu, ví von rằng họ đang thúc đẩy ngành quang học bước vào "cuộc cách mạng bóng bán dẫn" của riêng mình, khi chuyển đổi từ những thiết bị cồng kềnh sang kỷ nguyên vi mạch tích hợp siêu nhỏ.

Nhóm nghiên cứu hiện đang tích hợp các mạch quang tử này để thực hiện nhiều chức năng phức tạp hơn như tạo tần số, lọc và khắc xung trên cùng một con chip.

Jake Freedman, tác giả chính của nghiên cứu, khẳng định: "Thiết bị này là một trong những mảnh ghép cuối cùng của bức tranh. Chúng ta đang tiến rất gần đến một nền tảng quang tử thực sự có khả năng mở rộng để kiểm soát số lượng qubit khổng lồ."