Dũng Virgo
Các nhà khoa học Nga đã công bố một hướng phát triển mới cho phần cứng máy tính lượng tử: vi mạch tích hợp siêu dẫn sử dụng tantal thay cho nhôm trong một số linh kiện quan trọng. Công nghệ này được phát triển bởi Trung tâm Quantum Park thuộc Đại học Kỹ thuật Quốc gia Bauman Moscow (BMSTU), phối hợp với Viện Nghiên cứu Tự động hóa Toàn Nga (VNIIA).
Theo thông tin được truyền thông Nga đăng tải ngày 21/8, các linh kiện dựa trên tantal có chất lượng cao hơn 10 lần so với công nghệ chip nhôm truyền thống. Mức cải thiện được đề cập liên quan đến độ nhiễu, tỷ lệ lỗi và khả năng vận hành ổn định của linh kiện lượng tử.
Những bộ xử lý phụ lượng tử đầu tiên sử dụng công nghệ này dự kiến được bàn giao vào mùa thu năm 2026. Nếu tiến độ được thực hiện, đây sẽ là bước chuyển đáng chú ý trong nỗ lực xây dựng hệ sinh thái phần cứng lượng tử tại Nga.
Vì sao tantal được chọn cho chip lượng tử?
Trong máy tính lượng tử, thông tin được lưu trữ trên các qubit. Khác với bit truyền thống chỉ có hai trạng thái 0 hoặc 1, qubit có thể duy trì những trạng thái lượng tử đặc biệt để phục vụ các phép tính chuyên biệt. Tuy nhiên, trạng thái này rất nhạy cảm với nhiễu và các khuyết tật vật liệu.
Chỉ một lượng nhỏ tạp chất, lớp oxit không đồng nhất hoặc bất ổn trên bề mặt cũng có thể khiến qubit mất thông tin. Vì vậy, việc lựa chọn vật liệu và kiểm soát quy trình chế tạo có vai trò quan trọng không kém thiết kế mạch.
Tantal, còn được gọi là tantalum, là một kim loại chuyển tiếp hiếm có khả năng chống chịu axit và môi trường khắc nghiệt tốt hơn đáng kể so với nhôm. Đặc tính này cho phép các nhà nghiên cứu làm sạch linh kiện kỹ lưỡng hơn, qua đó loại bỏ những chất gây nhiễm bẩn nguyên tử và các lớp oxit không mong muốn trên bề mặt.
Vật liệu này cũng tạo ra một lợi thế khác ở cấp độ cấu trúc. Oxit tantalum, có công thức Ta2O5, được cho là chứa ít khuyết tật hơn đáng kể so với oxit nhôm. Khi số lượng khuyết tật giảm, thông tin lượng tử có điều kiện được lưu giữ lâu hơn trước khi bị suy giảm.
Chỉ số phẩm chất của bộ cộng hưởng vượt 10 triệu
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm công nghệ mới trên các bộ cộng hưởng vi sóng làm từ tantal. Đây là những linh kiện có nhiệm vụ giữ năng lượng và thông tin trong hệ thống siêu dẫn, đồng thời giúp đánh giá mức độ tổn hao của vật liệu.
Ở chế độ photon đơn, các bộ cộng hưởng đạt chỉ số phẩm chất Q lớn hơn 10 triệu. Chỉ số Q càng cao cho thấy linh kiện càng ít làm thất thoát năng lượng, từ đó thông tin lượng tử có thể tồn tại lâu hơn.
Có thể hình dung chỉ số này như một thước đo về khả năng “giữ” trạng thái của bộ cộng hưởng. Khi năng lượng bị thất thoát chậm, hệ thống có thêm thời gian thực hiện phép đo và xử lý trước khi qubit bị ảnh hưởng bởi môi trường. Đây là yếu tố quan trọng để cải thiện độ tin cậy của máy tính lượng tử.
Kết quả trên được mô tả là nằm trong nhóm thành tựu tốt nhất thế giới, tương đương với một số kết quả từng được công bố bởi Trung tâm Công nghệ nano IMEC của Bỉ và Đại học Princeton của Mỹ. Tuy nhiên, chỉ số Q cao của bộ cộng hưởng không đồng nghĩa một máy tính lượng tử hoàn chỉnh đã đạt hiệu năng tương ứng. Hệ thống thực tế còn phụ thuộc vào nhiều thành phần khác, bao gồm số lượng qubit, khả năng điều khiển, sửa lỗi và tích hợp mạch.
Hơn 1.000 thí nghiệm để tìm đúng pha tantal
Một trong những thách thức lớn của dự án là kiểm soát trạng thái cấu trúc của màng tantal. Kim loại này có thể hình thành ở hai pha chính là alpha và beta. Đối với các mạch siêu dẫn, nhóm nghiên cứu xác định tantal pha alpha có độ tinh khiết cao là lựa chọn cần thiết.
Để tìm ra điều kiện chế tạo phù hợp, các nhà khoa học đã tiến hành hơn 1.000 thí nghiệm. Những tấm wafer được phân tích bằng kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải nguyên tử. Phương pháp này giúp quan sát đặc điểm cấu trúc của vật liệu trên nền silicon ở cấp độ dưới nanomet.
Đây là cấp độ mà các thiết bị kiểm tra thông thường khó có thể cung cấp đầy đủ thông tin. Việc xác định chính xác pha vật liệu và các biến đổi trong cấu trúc cho phép nhóm nghiên cứu điều chỉnh quy trình sản xuất, hướng tới các lớp màng có độ tinh khiết và độ ổn định cao hơn.
Quy trình này cho thấy việc phát triển chip lượng tử không chỉ là bài toán thiết kế mạch. Các yếu tố như hóa học bề mặt, điều kiện tạo màng, cấu trúc tinh thể và phương pháp làm sạch đều có thể quyết định chất lượng cuối cùng của linh kiện.
Chip tantal có thể thay đổi máy tính lượng tử ra sao?
Nếu công nghệ được mở rộng thành công, lợi ích trực tiếp là cải thiện độ ổn định của những linh kiện siêu dẫn trong máy tính lượng tử. Độ nhiễu thấp hơn và thời gian lưu giữ thông tin dài hơn có thể giúp giảm số lỗi trong quá trình tính toán.
Đối với người dùng phổ thông, máy tính lượng tử chưa phải thiết bị thay thế laptop hay điện thoại. Công nghệ này hướng đến những bài toán chuyên biệt mà máy tính truyền thống xử lý rất tốn thời gian, chẳng hạn mô phỏng vật liệu, nghiên cứu hóa học, tối ưu hóa hoặc phân tích các hệ thống phức tạp.
Trong các lĩnh vực đó, một hệ thống lượng tử có qubit ổn định hơn sẽ tạo điều kiện để thực hiện các thuật toán phức tạp với độ tin cậy cao hơn. Tuy vậy, cần phân biệt giữa tiềm năng của linh kiện và hiệu năng của cả hệ thống. Một con chip có bộ cộng hưởng đạt Q lớn chưa đủ để chứng minh máy tính lượng tử đã nhanh hơn hàng triệu lần trong mọi tác vụ.
Tác động tiềm năng đến năng lượng và môi trường
Nhóm phát triển cho rằng công nghệ chip tantal có thể tạo ra tác động vượt ra ngoài lĩnh vực vật lý chất rắn. Máy tính lượng tử được kỳ vọng hỗ trợ giải quyết các bài toán tối ưu phức tạp với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn trên mỗi phép tính trong những trường hợp phù hợp.
So với siêu máy tính truyền thống, các hệ thống lượng tử có thể trở thành công cụ bổ trợ cho những nhiệm vụ đòi hỏi năng lực tính toán lớn. Khi phần cứng lượng tử hoạt động ổn định hơn, việc nghiên cứu các bài toán về lưới điện, chuỗi cung ứng và phân bổ nguồn lực sẽ có thêm một phương án xử lý.
Trong lĩnh vực năng lượng, các thuật toán tối ưu có thể được sử dụng để phân tích và điều phối mạng lưới điện thông minh. Việc dự báo nhu cầu, cân bằng nguồn cung hoặc tối ưu hóa vận hành nếu đạt hiệu quả cao hơn có thể góp phần giảm lãng phí năng lượng.
Về môi trường, khả năng chống ăn mòn của tantal cũng được xem là một ưu điểm. Linh kiện có tuổi thọ dài hơn có thể giúp giảm lượng rác thải điện tử công nghệ cao. Ngoài ra, nếu năng lực tính toán được dùng để tối ưu hóa vận tải và chuỗi cung ứng, dấu chân carbon trong các hoạt động này cũng có thể được cắt giảm.
Dù vậy, những lợi ích trên mới dừng ở triển vọng. Hiệu quả thực tế sẽ phụ thuộc vào việc các bộ xử lý phụ lượng tử được sản xuất với quy mô nào, có thể tích hợp vào hệ thống ra sao và liệu công nghệ có duy trì được chất lượng khi chuyển từ thử nghiệm sang sản xuất ổn định hay không.
Bước tiếp theo là đưa công nghệ vào sản xuất
Việc dự kiến bàn giao những bộ xử lý phụ lượng tử đầu tiên vào mùa thu năm 2026 sẽ là cột mốc quan trọng để đánh giá khả năng ứng dụng của chip tantal. Giai đoạn này có thể cho thấy công nghệ hoạt động thế nào ngoài môi trường thử nghiệm và có đáp ứng được các yêu cầu tích hợp thực tế hay không.
Thành công của dự án cũng phản ánh cuộc cạnh tranh quốc tế trong việc phát triển vật liệu cho máy tính lượng tử. Bên cạnh Nga, nhiều phòng thí nghiệm và doanh nghiệp tại Mỹ, châu Âu cùng các khu vực khác đang tìm cách nâng cao chất lượng qubit, kéo dài thời gian duy trì trạng thái và giảm chi phí chế tạo.
Với kết quả bộ cộng hưởng vượt 10 triệu, tantal đang cho thấy tiềm năng trở thành vật liệu đáng chú ý trong các mạch siêu dẫn thế hệ mới. Tuy nhiên, từ một kết quả vật lý ấn tượng đến một nền tảng máy tính lượng tử thương mại vẫn còn nhiều bước cần hoàn thiện. Quy mô sản xuất, độ bền, khả năng sửa lỗi và chi phí sẽ quyết định liệu công nghệ này có tạo ra ảnh hưởng lâu dài hay không.
Sạc nhanh 240W trên smartphone Trung Quốc hoạt động ra sao?
Claude phát hiện hệ thống DNA lặp mới mang tên ART
Não người có thể hình thành từ hai hệ thần kinh cổ đại
Nếu không có Thomas Edison, công nghệ hiện đại sẽ ra sao?
Dịch chuyển lượng tử: Vì sao con người vẫn chưa thể “dịch chuyển”?
Chiếc túi sách tiết lộ cách Bill Gates học hỏi và thành công
Cụ bà hồi tỉnh trong quan tài rồi qua đời hai ngày sau
