Mỹ tạo ra vật liệu 'sạch nhất thế giới', gỡ nút thắt khiến máy tính lượng tử trì trệ

Hình ảnh một con chip máy tính. Ảnh minh họa: Getty.

Một trong những rào cản lớn nhất của máy tính lượng tử từ trước đến nay không nằm ở bộ xử lý hay thuật toán, mà ở những tín hiệu từ trường cực nhỏ phát ra từ chính các nguyên tử bên trong con chip.

Các nhà khoa học Mỹ vừa tuyên bố đã tạo ra loại silicon và germanium siêu tinh khiết với độ sạch chưa từng đạt được trước đây, mở ra khả năng kéo dài đáng kể thời gian hoạt động của qubit – thành phần cốt lõi quyết định sức mạnh của máy tính lượng tử.

Thành tựu do các nhà nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL) và Phòng thí nghiệm Quốc gia Pacific Northwest (PNNL), trực thuộc Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), thực hiện. Theo nhóm nghiên cứu, đây không chỉ là bước tiến về vật liệu mà còn giúp Mỹ xây dựng chuỗi cung ứng nội địa cho ngành điện toán lượng tử trong tương lai.

"Trong nhiều năm, lời hứa về siêu máy tính lượng tử luôn bị cản trở bởi những nhiễu loạn cực nhỏ của thế giới vật lý", ông Christopher Landers, Giám đốc Văn phòng Nghiên cứu và Sản xuất Đồng vị (IRP) thuộc Bộ Năng lượng Mỹ, cho biết.

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra vật liệu có hàm lượng đồng vị gây nhiễu dưới 1 phần triệu (1 ppm), sạch hơn hơn 100 lần so với các vật liệu thương mại tốt nhất hiện nay trên thế giới.

Đặc biệt, silicon-28 đạt độ tinh khiết 99,9999%, mức được xem là cột mốc quan trọng đối với ngành điện toán lượng tử.

"Chúng tôi đang trực tiếp tạo nên nền tảng cho những máy tính lượng tử ổn định nhất thế giới ngay tại nước Mỹ. Đây không chỉ là một bước tiến nhỏ mà có thể trở thành tia lửa cho cuộc cách mạng công nghệ tiếp theo", ông Landers nhấn mạnh.

Vì sao silicon thông thường lại cản trở máy tính lượng tử?

Khác với máy tính truyền thống lưu trữ dữ liệu bằng bit, máy tính lượng tử sử dụng qubit, vốn cực kỳ nhạy cảm với môi trường xung quanh.

Chỉ một dao động rất nhỏ ở cấp độ nguyên tử cũng có thể khiến qubit mất trạng thái lượng tử – hiện tượng được gọi là decoherence, vốn là vấn đề khiến ngành điện toán lượng tử đau đầu suốt nhiều năm.

Một trong những nguồn gây nhiễu lớn nhất lại đến từ chính các đồng vị tự nhiên tồn tại trong silicon và germanium.

Silicon trong tự nhiên chủ yếu là silicon-28, nhưng vẫn chứa một lượng nhỏ silicon-29. Tương tự, germanium tự nhiên cũng chứa nhiều đồng vị khác nhau, trong đó có germanium-73.

Điểm khác biệt là silicon-29 và germanium-73 sở hữu spin hạt nhân, tạo nên những từ trường cực nhỏ giống như hàng triệu nam châm siêu nhỏ phân bố khắp vật liệu.

Từng dao động riêng lẻ gần như không đáng kể, nhưng khi cộng hưởng cùng nhau, chúng tạo nên "nền nhiễu" đủ lớn để làm giảm độ ổn định của qubit.

Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng nếu loại bỏ gần như hoàn toàn những đồng vị này thì thời gian duy trì trạng thái lượng tử của qubit sẽ tăng lên đáng kể.

Một nghiên cứu công bố năm 2014 từng chứng minh qubit được chế tạo từ silicon-28 tinh khiết có thời gian duy trì trạng thái lượng tử dài hơn rất nhiều so với silicon tự nhiên.

Tuy nhiên, việc sản xuất vật liệu tinh khiết ở mức này luôn là thách thức lớn, khiến Mỹ nhiều năm phải phụ thuộc vào nguồn cung hạn chế trong nước và các nhà cung cấp nước ngoài.

Làm sạch vật liệu ngay từ cấp độ nguyên tử

Thay vì tìm cách thiết kế lại bộ xử lý lượng tử, các nhà nghiên cứu quyết định xử lý vấn đề từ gốc: tạo ra vật liệu đầu vào sạch hơn.

Dự án được chia thành hai giai đoạn.

Tại ORNL, nhóm nghiên cứu sử dụng công nghệ EMIS (Electromagnetic Isotope Separation) để tách các nguyên tử theo khối lượng.

Mặc dù nguyên lý EMIS đã tồn tại từ thời Dự án Manhattan trong Thế chiến II, hệ thống hiện nay đã được nâng cấp đáng kể, có thể đồng thời tách nhiều loại đồng vị với hiệu suất vượt xa các hệ thống cũ.

Nhờ đó, các nhà khoa học gần như loại bỏ hoàn toàn silicon-29 và germanium-73 khỏi vật liệu. Kết quả là silicon-28 đạt độ tinh khiết 99,9999%, hàm lượng germanium-73 giảm xuống dưới 1 phần triệu. Sau đó, vật liệu được chuyển tới PNNL để bước vào công đoạn khó khăn không kém.

Thách thức tiếp theo: giữ vật liệu không bị "bẩn" trở lại

Theo các nhà nghiên cứu, vật liệu sau khi được tinh chế rất dễ bị nhiễm lại đồng vị trong quá trình chuyển đổi thành khí silane (SiH₄) và germane (GeH₄) – nguyên liệu được ngành bán dẫn sử dụng để phủ các lớp silicon hoặc germanium cực mỏng lên chip.

"Sự pha loãng đồng vị là một vấn đề cực kỳ khó giải quyết", nhà nghiên cứu Mike Powell tại PNNL cho biết.

Để khắc phục điều này, PNNL đã phát triển quy trình hóa học hoàn toàn mới, giúp biến silicon và germanium tinh khiết thành khí bán dẫn nhưng vẫn giữ nguyên độ tinh khiết đồng vị.

Phòng thí nghiệm cũng nâng cấp công nghệ TDIS (Thermal Diffusion Isotopic Separation), cho phép tiếp tục tinh chế trực tiếp ngay trên các loại khí này, giảm tối đa nguy cơ tái nhiễm.

Vì silane và germane đều là các loại khí nguy hiểm, nhóm nghiên cứu còn xây dựng hệ thống điều khiển tự động theo dõi hàng trăm thông số vận hành liên tục nhằm đảm bảo an toàn và duy trì độ tinh khiết hóa học ở mức cực cao.

Toàn bộ quy trình hiện nay tạo nên chuỗi sản xuất hoàn chỉnh, bắt đầu từ quá trình làm giàu đồng vị cho tới khi tạo ra vật liệu bán dẫn đạt tiêu chuẩn phục vụ chế tạo chip lượng tử.

Không chỉ là bước tiến về vật liệu

Theo Bộ Năng lượng Mỹ, dự án còn mang ý nghĩa chiến lược khi khôi phục năng lực mà nước này gần như đã đánh mất sau khi các hệ thống calutron thời Thế chiến II bị ngừng hoạt động vào năm 1998.

Hiện nay, chuỗi công nghệ kết hợp giữa ORNL và PNNL cho phép Mỹ chủ động sản xuất các vật liệu bán dẫn siêu tinh khiết ngay trong nước, phục vụ ngành điện toán lượng tử và bán dẫn thế hệ mới.

Không chỉ silicon-28, công nghệ này còn có thể tạo ra nhiều đồng vị quan trọng khác như germanium-70, germanium-76 hay ytterbium-171, vốn được sử dụng trong nhiều kiến trúc máy tính lượng tử khác nhau.

"Với các năng lực hiện có tại ORNL và PNNL, chúng tôi có thể cung cấp silicon, germanium cùng nhiều đồng vị khác với độ tinh khiết về hóa học và đồng vị chưa từng đạt được trước đây", Landers cho biết.

Dù vậy, các nhà nghiên cứu cũng nhấn mạnh rằng bước đột phá này chưa thể ngay lập tức giải quyết mọi thách thức của ngành điện toán lượng tử.

Các hãng sản xuất vẫn cần chứng minh rằng vật liệu siêu tinh khiết thực sự cải thiện hiệu năng của các hệ thống lượng tử thương mại, đồng thời mở rộng quy mô sản xuất công nghiệp.

Trong thời gian tới, Bộ Năng lượng Mỹ cho biết sẽ tiếp tục đơn giản hóa quy trình chế tạo, giảm nguy cơ nhiễm bẩn và tăng sản lượng vật liệu nhằm củng cố chuỗi cung ứng trong nước cho cả ngành bán dẫn lẫn điện toán lượng tử.

Theo DOE, IE

Huyền Chi