Silicon – Chìa khoá cho điện toán lượng tử

Những nỗ lực để xây dựng máy tính lượng tử thực tế còn chưa vươn quá được khỏi vạch xuất phát. Con người vẫn ở giai đoạn tìm kiếm vật liệu cho công nghệ này và các ứng cử viên đều khá đắt giá.

Thời đại máy tính lượng tử rất cần công nghệ với vật liệu Silicon
Thời đại máy tính lượng tử rất cần công nghệ với vật liệu Silicon

Những thách thức kĩ thuật lớn thường đòi hỏi sự kiên trì đặc biệt mạnh mẽ và điều này hẳn không sai đối với điện toán lượng tử. Trong 20 năm trở lại đây, chúng ta biết rằng những chiếc máy tính lượng tự có thể – ít nhất là trên lý thuyết – cực kì mạnh mẽ và chỉ mất vài phút để xử lý các vấn đề mà máy tính truyền thống mất nhiều hơn cả… thời gian hình thành vũ trụ để làm xong.

Tuy nhiên, những nỗ lực để xây dựng các dòng máy tính lượng tử thực tế còn chưa vươn quá được khỏi vạch xuất phát, con người vẫn ở giai đoạn tìm kiếm những vật liệu tối ưu cho “món mới” này, các ứng cử viên đầu bảng đều khá đắt giá: có mạch siêu dẫn được in từ nhôm và được làm lạnh tới -100 độ C, ion nổi được thiết kế để lơ lửng trên bề mặt chip và tương tác bởi tia laser, các nguyên tử Nitrogen được sắp xếp trong các ma trận…

Những giải pháp như thế đã được sử dụng để hiện thực phần nào các ý tưởng hệ thống điện toán lượng tử. Tuy nhiên, ngày nay những thành tố xử lý lượng tử kiểu như vậy đang gặp một đối thủ hùng mạnh và có tiềm năng hơn bao giờ hết: chính là silicon – gương mặt “cũ mà mới”.

So với nhiều loại vật liệu khác, silicon xuất phát chậm hơn đáng kể trong vai trò ứng cử viên đối với công nghệ điện toán lượng tử. Tuy nhiên, những kết quả nghiên cứu gần đây đã đưa nó trở thành lựa chọn đầu bảng. Điển hình là ngay từ năm ngoái, đội nghiên cứu thuộc đại học Simon Fraser (Burnaby, Canada) cùng với nhiều nhà nghiên cứu khác tại trường địa học London đã cho thấy khả năng duy trì trạng thái của bit lượng tử trong silicon ở mức thời gian kỉ lục 39 phút chỉ với nhiệt độ thông thường. Nếu ở nhiệt độ thấp, con số này có thể lên tới 3 tiếng. So với những con số chỉ tính bằng milli giây hoặc ít hơn của những giải pháp điện toán lượng tử khác, mức này dường như là… vĩnh cửu.

Nó cũng là độ ổn định vừa đủ mà các nhà khoa học đang tìm kiếm để bắt đầu xây dựng máy tính lượng tử cho nhu cầu phổ thông, quy mô đủ lớn để vượt qua các loại máy tính truyền thống. Trong suốt 50 năm qua, silicon đã cho phép chúng ta có được những bước tiến nhanh và vững vàng trong điện toán truyền thống. Với máy tính lượng tử, cơ hội dành cho silicon lại càng trở nên rộng mở hơn bao giờ hết. Rất có thể, vật liệu này sẽ lại một lần nữa toả sáng.

Trước tiên, cần phải giải nghĩa một câu hỏi: thế nào là máy tính lượng tử? Nói một cách đơn giản, đó là hệ thống có thể lưu trữ và xử lý thông tin dựa trên các nguyên tắc cơ học lượng tử. Như thế, các thành phần tính toán cơ bản – chưa kể tới nguyên tắc vận hành – đã rất khác so với những gì chúng ta có hiện nay. Ví dụ, trong thế giới lượng tử, một đối tượng có thể tồn tại dưới hai trạng thái khác biệt cùng lúc – hiện tượng được biết đến với tên gọi sự xếp chồng (superposition). Như thế, khác với các bit kiểu truyền thống hiện tại, một bit lượng tử (qubit) có thể đặt trong trạng thái phức tạp với giá trị cả 0 và 1 cùng lúc. Chỉ khi đánh giá giá trị của qubit, nó mới bị “ép” phải chọn một trong hai.

Từ đó, mỗi khi máy tính lượng tử thực hiện các thao tác logic, nó sẽ thực hiện toàn bộ các phép kết hợp có thể của trạng thái qubit trong cùng một lúc. Cơ chế song song đầy ấn tượng này thường được sử dụng để lý giải cho sự vượt trội về tốc độ của máy tính lượng tử. Tuy nhiên, vấn đề là chúng ta thường chỉ quan tâm tới một tập con của các tính toán này. Việc xác định trạng thái cuối của cơ cấu lượng tử sẽ cho bạn một câu trả lời duy nhất, ở ngẫu nhiên, có thể sẽ không phải là thứ được trông đợi. Như thế, việc tạo ra được những thuật toán lượng tử có thể “né” các kết quả không mong muốn để đưa ra câu trả lời chính xác sẽ là một thách thức lớn.

Hiện tại, D-Wave System (cũng nằm tại Burnaby) là công ty duy nhất đang cung cấp những giải pháp điện toán lượng tử. Cách tiêp cận của D-Wave hơi khác biệt so với những gì các nhà nghiên cứu thường nghĩ khi họ đề cập tới điện toán lượng tử. Bên cạnh đó, nhiều tranh luận về quy luật cơ học lượng tử cũng như tiềm năng của các sản phẩm từ chúng. Mục tiêu mà nhiều bên cùng hướng tới chính là một chiếc máy tính điện toán tổng quát nhất với khả năng chạy mọi thuật toán lượng tử hay truyền thống. Máy tính như vậy có thể sẽ không nhanh hơn máy tính truyền thống nhưng sẽ có những ứng dụng nhất định được xây dựng riêng với hiệu năng đầy ấn tượng.

Trong đó, một điểm được các cơ quan tình báo “nhòm ngó” chính là khả năng tính toán cấp số nhân ở quy mô lớn với hiệu năng vượt đáng kể ngay cả khi so với các thuật toán truyền thống mạnh nhất. Điều này sẽ giúp việc giải mật mã trở nên mạnh hơn đáng kể. Ngoài ra, một ứng dụng rất triển vọng khác là giả lập hành vi của các hệ thống cơ học lượng tử như phân tử ở tốc độ cao và độ chính xác lớn. Khả năng này sẽ đem lại lợi ích rất lớn cho việc nghiên cứu các loại thuốc và vật liệu cho tương lai.

Tuy nhiên, để xây dựng được một chiếc máy tính lượng tử có khả năng chạy cả thuật toán lượng tử và thuật toán truyền thống, điều quan trọng đầu tiên là thành phần tính toán cơ bản: bit lượng tử (qubit). Nói một cách cơ bản, gần như mọi đối tượng vận hành theo quy luật vật lý lượng tử đều có thể được đặt vào trạng thái xếp chồng và sử dụng như một qubit. Bên cạnh đó, vì tính chất lượng tử thường chỉ được chứng kiến ở quy mô nhỏ, phần lớn qubit đều là đối tượng rất nhỏ bé ví dụ như electron, hạt nhân nguyên tử đơn lẻ hoặc photon.

Như thế, mọi tính chất cần tới hai giá trị như sự phân cực ánh sáng hay sự hiện diện của một electron tại một điểm đều có thể sử dụng để mã hoá thông tin lượng tử. Một trong những lối đi thực tế nhất là mô men xung lượng. Mô men xung lượng khá thú vị khi nó thể hiện góc của một đối tượng – kể cả khi mô men xung lượng vật lý không đang tồn tại – và cũng thể hiện hướng của từ tính nội tại của một vật thể. Ở cả các electron hay hạt nhân nguyên tử, mô men xung lượng có thể được sử dụng để trỏ lên hoặc xuống, thể hiện giá trị 1 hoặc 0 hay thậm chí là tồn tại ở dạng xếp chồng của cả hai trạng thái. Người ta cũng có thể tạo ra qubit ở ở tầm vĩ mô thông qua các kết cấu nhân tạo – dĩ nhiên là nếu làm mát được nó tới điểm đủ cho hành vi lượng tử kích hoạt. Một kết cấu thông dụng là qubit dòng (flux qubit) – được tạo ra bằng một vòng lặp dẫn điện cấu thành từ dây siêu dẫn. Những qubit này, vốn đo bằng micromet, có thể xem là một sự kì lạ về lượng tử: khi trạng thái qubit dòng ở dạng xếp chồng, dòng điện sẽ chạy qua cả hai vòng lặp cùng lúc.

Hệ thống máy tính lượng tử của D-Wave – vốn đã được NASA nghiên cứu sử dụng
Hệ thống máy tính lượng tử của D-Wave – vốn đã được NASA nghiên cứu sử dụng

D-Wave sử dụng qubit dựa trên các vòng lặp siêu dẫn nhưng chúng được kết nối với nhau và tạo ra một chiếc máy tính vận hành hoàn toàn khác so với khái niệm máy tính lượng tử. Công ty này đã đi theo hướng tiếp cận mà họ gọi là điện toán lượng tử đoạn nhiệt (adiabatic quantum computing). Loại hình này có các qubit được thiết lập ở trạng thái ban đầu sau đó “dãn” ra và chuyển thành dạng tối ưu. Mặc dù hướng đi này có tiềm năng xử lý một số vấn đề tối ưu hoá rất nhanh chóng nhưng máy tính của D-Wave không thể sử dụng để thực hiện các thuật toán tuỳ ý. Bên cạnh đó, cộng đồng điện toán lượng tử cũng đang có rất nhiều tranh cãi về việc những mẫu máy tính của D-Wave có vận hành đúng theo kiểu của cơ cấu lượng tử và liệu nó có đem lại lợi thế nào so với các hệ thống sử dụng thuật toán truyền thống nào hay không.

Mặc dù các hệ thống máy tính lượng tử ở quy mô lớn vẫn là điều xa vời, đã bắt đầu có được những khái niệm đầu tiên về cách thức tạo ra chúng – thậm chí là một vài hướng tiếp cận khác nhau. Trong đó, cách trực tiếp nhất là sử dụng mô hình điện toán vốn được biết đến dưới tên gọi mô hình cổng. Nó sử dụng hàng loạt các cổng khác nhau để kết nối nhóm qubit – điều cho phép chúng tương tác theo mệnh lệnh. Khác với chip truyền thống thường sử dụng mạch logic cố định, các cổng này có thể được thiết lập, tái thiết lập để thay đổi quan hệ giữa các qubit nhằm thực hiện các hoạt động tính toán logic khác nhau. Một vài trong số này như XOR hay NOT là khá quen thuộc nhưng nhiều số khác lại không phải như vậy bởi chúng có thể được thực hiện trong một không gian phức tạp – nơi trạng thái lượng tử xếp chồng có thể liên tục nhận một dải giá trị liên tục. Tuy nhiên, quá trình cơ bản của điện toán lại không quá khác biệt: cổng logic sẽ điều khiển phương thức di chuyển của dữ liệu và trạng thái của qubit sẽ thay đổi khi các chương trình chạy. Kết quả sẽ có thể được thu hồi thông qua việc quan sát hệ thống này.

Mạch siêu dẫn lượng tử với năm qubit Xmon đặt thẳng hàng
Mạch siêu dẫn lượng tử với năm qubit Xmon đặt thẳng hàng

Cầu kì hơn, mô hình trạng thái cụm lại có phương thức vận hành hoàn toàn khác biệt. Ở đây, việc tính toán được thực hiện đơn giản bằng việc quan sát đơn thuần. Quy trình này khởi đầu bằng việc làm trói mọi qubit vào với nhau. “Trói” là hiện tượng cơ học lượng tử thể hiện hai hoặc nhiều mảnh nhỏ (ví dụ như electron) chia sẻ chung một trạng thái lượng tử và việc đánh giá một mảnh sẽ ảnh hưởng tới hành vi của “đối tác” của nó. Theo đó, trong mô hình trạng thái cụm, chương trình sẽ chạy thông qua việc đánh giá qubit trong một thứ tự nhất định cùng với hướng nhất định. Một số đánh giá có thể được thực hiện trên mạng lưới các qubit để đề ra quy trình tính toán trong khi số khác sẽ đưa thông tin vào mạng lưới này. Kết quả định ra từ những đánh giá sau đó sẽ được tổng hợp lại để tạo ra câu trả lời cuối cùng.

Tuy nhiên, để cả hai phương thức này có thể hiện thực hoá, chúng ta phải tìn ra một cách đảm bảo sự ổn định của qubit kéo dài đủ lâu cho các tác vụ tính toán – điều chẳng mấy dễ dàng cho lắm. Các trạng thái cơ học lượng tử rất mong manh và dễ dàng bị ngắt quãng bởi chỉ một thay đổi nhỏ về nhiệt độ hay trường điện từ. Điều này sẽ dẫn tới những sai sót rất lớn hay thậm chí là phá hỏng hoàn toàn các phép tính ngay từ khâu giữa. Kể cả khi bạn có thể thực hiện được những tính toán hữu dụng thì việc tìm cách mở rộng quy mô hệ thống lên hàng trăm hay hàng ngàn qubit là điều không thể thiếu. Quy mô tầm cỡ này đã luôn không khả thi suốt từ giữa những năm 90 thế kỉ trước – khi những qubit đầu tiên được tạo thành từ việc “nhốt” các nguyên tử và ion. Việc tạo ra một qubit đơn lẻ cũng là quy trình rất khó khăn đòi hỏi nhiều phương thức phức tạp và cần tới vô số thiết bị khác nhau. Tuy nhiên, vài năm trở lại đây, điều này đã thay đổi. Giờ đây, có khá nhiều các lựa chọn điện toán lượng tử dễ dàng hơn nhiều trong việc mở rộng quy mô.

Mô hình “trói” ba qubit lại với nhau (Nguồn: Erik Lucero)
Mô hình “trói” ba qubit lại với nhau (Nguồn: Erik Lucero)

Trong số đó, các qubit tạo thành từ silicon là lựa chọn khá hấp dẫn. Chúng có thể được sản xuất ngay từ những kĩ thuật bán dẫn truyền thống và hứa hẹn sự ổn định, nhỏ gọn ngoại hạng. Thực tế, cũng có một số phương thức khác nhau để tạo ra qubit từ silicon. Trong đó, giải pháp đang được đánh giá là khả thi nhất chính là việc sử dụng các nguyên tử đặt một cách có chủ ý bên trong silicon. Thực tế, đây là hướng tiếp cận có vẻ khá quen thuộc bởi các nhà sản xuất bán dẫn từ lâu đã sử dụng tính pha tạp để điều chỉnh tính chất điện của silicon nhằm tạo ra các thiết bị như diode hay transistor.

Trong quy trình mang tên kích tạp (doping), một nguyên tử từ cột bên cạnh trong bảng tuần hoàn sẽ được bổ sung vào silicon – hoặc cho mượn một electron vào lớp vật chất bao quanh (cho) hoặc thu lấy một electron từ đó (nhận). Thao tác này sẽ thay đổi hoàn toàn tính chất điện của silicon nhưng chỉ có thể thực hiện ở nhiệt độ khoảng âm 220 độ C. Dưới mức đó, các electron từ hạt nhân cho sẽ không còn đủ nhiệt lượng để cản lực kéo từ các atom tích điện dương (nơi chúng xuất phát) và sẽ quay trở lại đó. Hiện tượng mang tên chuyển dịch đóng băng này được mô tả là điểm tới hạn khiến mọi thiết bị silicon truyền thống đều ngừng hoạt động.

Tuy nhiên, vào năm 1998, nhà vật lý Bruce Kane (đại học Maryland) đã chỉ ra rằng điểm này sẽ rất có lợi cho điện toán lượng tử. Nó sẽ tạo ra một số atom hoàn toàn trung hoà về điện tích và khá tách biệt được cố định một chỗ – một trạng thái hoàn hảo cho việc lưu trữ thông tin trong điện toán lượng tử. Khi đó, thông tin có thể được lưu theo hai cách: hoặc mã hoá trong mô men xung lượng của hạt nhân nguyên tử cho hoặc electron ngoài cùng của nó. Trạng thái mô men xung lượng của một đối tượng nhỏ như vậy sẽ rất nhạy cảm tới trường điện từ và cũng như các tương tác với đối tượng xung quanh nó. Trong đó, rắc rối lớn nhất sẽ đến từ các mô men xung lượng hạt nhân của nguyên tử nằm xung quanh – vốn có thể lật ngẫu nhiên – làm rối loạn các qubit. Tuy nhiên, những điều này lại không quá khó khăn đối với silicon. Một trong số các đồng vị của nó – Silicon-29 – lại có mô men xung lượng hạt nhân khác không nhưng chỉ chiếm chưa tới 5% các nguyên tử silicon trong tự nhiên. Như thế, các mô men xung lượng hạt nhân lật là rất hiếm và những electron cho quay có thời gian tồn tại dài hơn đáng kể theo các tiêu chuẩn lượng tử. Trạng thái mô men xung lượng của các electron phía ngoài một hạt nhân phốt pho cho có thể duy trì việc xếp chồng ít nhất là 0,3 mili giây tại 8 kelvin trước khi ngắt quãng. Đây là mức cơ bản cần thiết cho một máy tính lượng tử. Tuy nhiên để bù trừ vào sự hao hụt trạng thái lượng tử và duy trì thông tin lượng tử hoàn hảo vô tận, một qubit phụ với thời lượng dài hơn cần được tích hợp riêng để nhận diện và sửa lỗi. Điều này là cần thiết với mọi qubit sử dụng cho việc tính toán.

Kiến trúc qubit ReZQu - ứng cử viên tiềm năng cho việc tạo ra các máy tính lượng tử đầu tiên.
Kiến trúc qubit ReZQu – ứng cử viên tiềm năng cho việc tạo ra các máy tính lượng tử đầu tiên.

Một trong những cách dễ nhất chính là bổ sung các qubit dự phòng. Nói cách khác, mỗi qubit tính toán khi đó thực tế sẽ là một nhóm qubit. Những thông tin trên chúng sau một thời gian sẽ bắt đầu bị hư hại nhưng cả nhóm có thể được khôi phục lại trạng thái ổn định của từng thành viên trong đó sao cho trạng thái tổng thể không bị ảnh hưởng. Nếu có đủ các giải pháp dự phòng như thế đồng thời tỉ lệ lỗi được duy trì ở mức thấp, thông tin có thể lưu trữ đủ lâu để thực hiện các tính toán.

Nếu một qubit duy trì trung bình 0,3 giây và có thể được điều khiển trong 10 nano giây với vi sóng, điều đó có nghĩa là sẽ có khoảng 30.000 hoạt động cổng được thực hiện trước khi trạng thái của qubit bị huỷ. Trong khi đso, tỉ lệ lỗi sẽ khó xác định nhưng chắc chắn không ở mức cao. Điều này đồng nghĩa với việc máy tính lượng tử có thể sẽ mất gần như toàn bộ thời gian để chữa các trạng thái qubit và bản sao của chúng và chỉ còn rất ít thời gian cho việc thực hiện các tính toán có ích. Để hạn chế điều này – đồng thời tạo ra các máy tính lượng tử nhỏ gọn và hiệu quả hơn, chúng ta phải tìm ra cách kéo dài thời gian duy trì qubit. Thực tế, cũng không ít cách thành công đã xuất hiện. Năm 2012, một nhóm nghiên cứu tại đại học Princeton cho biết đã kéo dài thời gian duy trì mô men xung lượng electron hơn 1 giây tại 1,8 kelvin – một kỉ lục đối với bất kì loại vật liệu nào. Điều này cho thấy tiềm năng rất lớn của silicon trong điện toán lượng tử.

Tuy khá tốt, nhưng nếu đặt những kết quả này cạnh hạt nhân nguyên tử – chúng lại chưa là gì. Những tính toán mới đây của một đội nghiên cứu tại trường Simon Fraser đã cho thấy mô men xung lượng hạt nhân nguyên tử phốt pho có thể kéo dài tới ba giây trong silicon tại nhiệt độ thấp. Do mô men xung lượng nguyên tử tương tác với môi trường xung quanh chủ yếu qua các electron, thời gian này có thể kéo dài tới 3 giờ nếu loại bỏ hoàn toàn các electron phía ngoài của nguyên tử phốt pho.

Tuy mô men xung lượng hạt nhân duy trì được trạng thái lượng tử dài hơn mô men xung lượng electron bởi từ tính yếu hơn, vì vậy chúng cũng tương tác với môi trường không mạnh bằng. Tuy nhiên, sự ổn định này lại đồng nghĩa với việc kiểm soát chúng không dễ dàng chút nào. Kết quả là những máy tính tạo ra từ hạt nhân cho có thể sẽ sử dụng cả nguyên tử và electron. Trong khi các mô men xung lượng electron vốn dễ điều khiển hơn có thể sử dụng để tính toán, trong khi các mô men xung lượng hạt nhân ổn định hơn sẽ được dùng trong các thành phần bộ nhớ để lưu trữ thông tin trong trạng thái lượng tử giữa các lần tính toán.

Kỉ lục thời gian duy trì mô men xung lượng tới lúc này hoàn toàn dựa trên việc đánh giá tập hợp các đối tượng cho cùng lúc. Tuy nhiên có một thách thức vẫn tồn tại: làm cách nào để chúng ta điều khiển và đánh giá trạng thái của một qubit cho duy nhất vào một thời điểm, đặc biệt là khi hàng ngàn hay thậm chí hàng triệu qubit khác đang tồn tại song song trong một không gian cực nhỏ. Mới chỉ vài năm trước đây, điều này vẫn là bất khả thi. Tuy nhiên trong năm 2010, sau một thập kỉ nghiên cứu tích cực, đội ngũ phối hợp giữa Andrea Morello và Andrew Dzurak (cùng thuộc đại học New South Wales) đã cho thấy việc điều khiển và đọc trạng thái mô men xung lượng hạt nhân của một nguyên tử cho đơn lẻ là hoàn toàn khả thi. Để làm điều này, họ đã đặt một nguyên tử phốt pho cho ở khoảng cách gần thiết bị bán dẫn ô-xít kim loại electron đơn SET (metal-oxide-semiconductor single-electron transistor), áp đặt một từ trường nhẹ và giảm nhiệt độ. Khi đó, electron với mô men xung lượng được căn chỉnh ngược với từ trường sẽ có năng lượng lớn hơn electron với mô men xung lượng được căn chỉnh cùng chiều với từ trường đó. Năng lượng chênh lệch này đủ sức nhả eletron ra khỏi nguyên tử cho. Do các thiết bị SET rất nhạy cảm với trạng thái tĩnh điện của môi trường xung quanh, việc ion-hoá một atom có tạp chất sẽ thay đổi dòng điện của chúng. Từ đó, có thể thấy việc nghiên cứu đã mở rộng sang cả yêu cầu điều khiển và đọc các trạng thái mô men xung lượng của hạt nhân đơn lẻ.

Dù SET có thể là chìa khoá quan trọng để tạo ra các qubit có khả năng vận hành hoàn hảo vẫn có những trở lại lớn cần phải vượt qua trước khi chúng ta có thể tạo ra một máy tính lượng tử thực thụ. Hiện tại, SET chỉ có thể hoạt động ở nhiệt độ cực thấp (thường là dưới 0) để có đủ độ nhạy cần thiết để có thể đọc được các qubit. Ngoài ra, dù chúng ta có thể sử dụng một thiết bị đơn này để đọc một qubit, việc đưa chúng vào quy mô lớn trên một chip xử lý vẫn là điều chưa được thực hiện.

Mô tả việc điều khiển và giám sát mô men xung lượng của electron với tia laser tạo ra lực quay quanh trục X và từ trường điều khiển lực quay quanh trục Z.
Mô tả việc điều khiển và giám sát mô men xung lượng của electron với tia laser tạo ra lực quay quanh trục X và từ trường điều khiển lực quay quanh trục Z.

Bên cạnh, mô men xung lượng còn có một hướng tiếp cận khác trong việc sản xuất qubit gốc silicon khả thi hơn trong việc mở rộng quy mô. Đây là kết quả nghiên cứu của nhà vật lý David DiVincenzo và Daniel Loss – với khả năng tạo ra qubit từ một electron đơn lẻ được trói trong các điểm lượng tử. Trong một điểm lượng tử, các electron có thể được trói chặt tới mức buộc phải nhận một mức năng lượng – tương tự như khi xoay quanh hạt nhân. Trong các nguyên tử cho siêu lạnh, trạng thái mô men xung lượng của một electron dạng này có thể được sử dụng làm nền tảng cho qubit.

Khái niệm cơ sở cho việc tạo ra những “nguyên tử nhân tạo” theo cách này cũng yêu cầu phải tạo được một giao tiếp đột ngột giữa hai loại vật liệu khác nhau. Nếu chọn đúng vật liệu, các electron có thể tập hợp trong mặt phẳng của giao diện – nơi năng lượng tàng trữ ở mức thấp. Để kiểm soát chặt hơn các electron “lang thang” trong bề mặt này, các cổng kim loại sẽ được đặt trên bề mặt có thể phản hồi chúng – hướng chúng tới một điểm nhất định mà ở đó chúng sẽ không có đủ năng lượng để trốn thoát. Thực tế, những mảng lớn đồng nhất của các điểm lượng tử silicon sẽ có thể được sản xuất dễ hơn so với các mảng qubit cho bởi qubit và bất cứ thiết bị nào cần để kết nối hoặc đọc chúng đều có thể được tạo ra từ quy trình sản xuất chip hiện tại.

Tuy nhiên, những tiếp cận đối với việc tạo ra qubit không tiến xa như với các nguyên tử cho silicon. Điều này là bởi vào thời điểm ý tưởng điểm lượng tử qubit được đề cập (1988), vật liệu được đưa ra là gallium arsenide hoặc gallium alluminum arsenide tuy cho phép trói các electron dễ dàng nhưng lại dễ gây nhiễu loạn đối với mô men xung lượng của electron đó. Điều này không mắc phải đối với việc sử dụng silicon. Tuy nhiên để tạo ra điểm lượng tử silicon với công nghệ bán dẫn MOS hiện tại, chúng ta sẽ phải trói electron trong giao diện giữa silicon và ô xít – vốn tiềm ẩn rất nhiều điểm yếu như nhiễu loạn. Kể cả sau nhiều thập kỉ phát triển công nghệ MOS, việc tạo ra các điểm lượng tử tương tự như MOS thông qua việc trói chính xác một electron bên trong vẫn là rất khó khăn.

Dù thế, không thể phủ nhận sự thật rằng nhiều thành công đã đạt được với điểm lượng tử – kết hợp giữa silicon và các vật liệu khác. Dị thể silicon-germanium cũng tạo ra lượng tử một cách rất hiệu quả bằng cách kẹp silicon vào giữa các hợp chất silicon-germanium và có mật độ hư hại ở giao tiếp thấp hơn rất nhiều so với cấu trúc MOS – vốn đang được cho là rất tiềm năng. Ngay vào đầu năm nay, một nhóm nghiên cứu tại học viện Kavli (Hà Lan) cho biết họ đã tạo ra các điểm silicon-germanium với khả năng duy trì trạng thái lượng tử trong 40 micro giây. Trong khi đó, vài tháng trước, nhóm của Andrew Dzurak (trường Đại học New South Wales) cho biết đã đạt những kết quả bước đầu trong việc chống hư hại ở các giao tiếp ô xít. Điều này cho phép họ tạo ra các điểm lượng tử MOS đồng vị tinh khiến Silicon-28 với thời gian duy trì qubit hơn một mili giây – đủ cho việc sửa lỗi được thực hiện.

Có thể thấy, trong bối cảnh các nhà nghiên cứu điện toán lượng tử đang hướng về silicon, chúng ta đang tiến tới một giai đoạn độc nhất vô nhị khi đồng thời sở hữu hai hệ thống khả thi cho việc phát triển máy tính lượng tử. Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là liệu hướng tiếp cận nào sẽ chiếm ưu thế? Những hệ thống phần tử silicon cho – hoặc mô men xung lượng electron hoặc mô men xung lượng hạt nhân – đều có ưu thế khi tính tới thời gian duy trì trạng thái. Tuy nhiên để tích hợp chúng trong một ma trận silicon, việc kết nối các nguyên tử cho là không dễ dàng gì – đặc biệt là kiểm soát chúng cho các mục đích tính toán. Chúng ta cũng có thể đặt các qubit gần nhau hơn để electron cho trùng với nhau hoặc hạt nhân cho tương tác được theo từ tính hoặc tính tới việc xây dựng một băng thông cho phép các hạt photon vi sóng có thể đóng vai trò trung chuyển. Việc đặt nguyên tử cho chính xác đủ để vận hành hoàn hảo trên quy mô lớn là không dễ – dù cho mới đây một nghiên cứu của Michielle Simmons (thuộc trường đại học New South Wales) đã chỉ ra rằng việc sử dụng các đầu ống siêu nhỏ để đặt tạp chất vào silicon một cách chính xác là hoàn toàn khả thi – thậm chí là với độ chính ở cấp nguyên tử.

Các nhà khoa học Đức đã phát hiện ra rằng những phiến kim cương mỏng có thể lưu trữ dữ liệu qubit ở nhiệt độ thông thường – bước tiến có thể đưa máy tính lượng tử trở nên gần thực tế hơn bao giờ hết.
Các nhà khoa học Đức đã phát hiện ra rằng những phiến kim cương mỏng có thể lưu trữ dữ liệu qubit ở nhiệt độ thông thường – bước tiến có thể đưa máy tính lượng tử trở nên gần thực tế hơn bao giờ hết.

Các điểm silicon lượng tử – thứ được tạo ra với các điện cực nhỏ chỉ từ 20 đến 40nm có thể dễ dàng hơn trong việc kết hợp thành mảng lớn. Chúng ta có thể sử dụng kĩ thuật in chip hiện hành để tạo ra những thiết bị cũng như điện cực và các thành phần tương tự với vai trò di chuyển electron để chúng có thể tương tác với các qubit khác. Dĩ nhiên, cũng không quá khó để mường tượng về một chiếc máy tính lượng tử có thể sử dụng cả hai loại qubit này. Điểm lượng tử, vốn dễ dàng hơn trong việc chế tạo và kết nối, có thể được dùng để tạo ra phần logic của kết cấu. Khi một phần tính toán được hoàn thiện, các electron có thể được đẩy tới một electron cho nằm gần đó để truyền kết quả tới bộ nhớ trong các hạt nhân cho. Dĩ nhiên, silicon sẽ phải cạnh tranh với nhiều vật liệu tiềm năng khác cho các hệ thống điện toán lượng tử. Tương tự như máy tính ngày nay sử dụng đa dạng các loại vật liệu từ silicon, vật liệu từ, sợi quang học… để tính toán, lưu trữ và liên lạc với nhau, rất có thể các máy tính lượng tử trong tương lai cũng sẽ kết hợp nhiều vật liệu khác nhau.

Cho dù thế nào, xét ở góc độ nguyên lý, sẽ còn một thời gian dài nữa trước khi silicon có thể thực sự được coi là giải pháp lý tưởng cho các hệ thống điện toán lượng tử – ngang với các lựa chọn hiện tại. Tuy nhiên, đây không phải là lần đầu tiên silicon phải khởi đầu cuộc chơi ở vị trí phía sau. Trước kia, sulfat chì và germanium đã từng được sử dụng để tạo ra các linh kiện bán dẫn trước khi silicon tinh khiết và công nghệ CMOS xuất hiện. Vì thế, chúng ta hoàn toàn có thể nghĩ rằng silicon sẽ tồn tại trong thế hệ giải pháp điện toán tiếp theo – một bước nhảy lớn từ mô hình truyền thống sang thời đại lượng tử!.

Theo PCworld

Bình luận

Leave a Reply