MỸ – Các nhà khoa học tại Đại học Northwestern (Northwestern University), Đại học Boston (BU – Boston University) và Đại học California (University of California), Berkeley (UC Berkeley) đã chế tạo một hệ thống lượng tử photonic nhỏ trong một chip điện tử truyền thống.

Chip silicon này kết hợp các thành phần tạo ra ánh sáng lượng tử (photonic) với các mạch điều khiển điện tử truyền thống – tất cả được đưa vào một tiết diện bằng một milimét vuông. Vì vậy, chip không chỉ tạo ra ánh sáng lượng tử mà còn có hệ thống điện tử thông minh tích hợp riêng nhằm giữ cho ánh sáng đó ổn định.

Sự tích hợp quang tử – điện tử này cho phép một chip tạo ra một luồng các cặp photon – đơn vị cơ bản mã hóa thông tin lượng tử – cần thiết cho giao tiếp, cảm biến và xử lý lượng tử dựa trên ánh sáng.

Một nhà máy sản xuất bằng phương pháp đúc bán dẫn đã chế tạo loại chip này, chứng minh khả năng sản xuất hàng loạt của nó.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Electronics.

Ông Anirudh Ramesh thuộc đại học Northwestern, người dẫn đầu các phép đo lượng tử, chia sẻ: “Các thí nghiệm lượng tử trong phòng thí nghiệm cần các thiết bị kích thước lớn, yêu cầu điều kiện cơ bản và vệ sinh. Chúng tôi đã thu nhỏ nhiều thiết bị điện tử đó vào một con chip. Vậy là giờ đây chúng tôi đã có một loại chip được tích hợp điều khiển điện tử – ổn định quá trình lượng tử theo thời gian thực. Đây là một bước tiến quan trọng hướng tới các hệ thống quang tử lượng tử có khả năng mở rộng quy mô.”

Ông Prem Kumar tại đại học Northwestern, một trong những tác giả chính của dự án nghiên cứu, đã nói rằng: “Lần đầu tiên, chúng tôi đã đạt được sự tích hợp điện tử, quang tử và lượng tử nguyên khối. Đây là một thành tựu lớn vì việc kết hợp điện tử và quang tử là không dễ dàng. Đó là một nỗ lực mạnh mẽ, kết hợp chuyên môn từ một nhóm liên ngành, hợp tác chặt chẽ gồm các nhà vật lý, kỹ sư điện, nhà khoa học máy tính, nhà khoa học vật liệu và các chuyên gia sản xuất. Chip của chúng tôi có thể mở ra cánh cửa không chỉ cho điện toán, mà còn cho các ứng dụng cảm biến và truyền thông.”

Ông Anirudh Ramesh đồng dẫn dắt nghiên cứu với ông Danielius Kramnik tại đại học UC Berkeley và ông Imbert Wang tại đại học BU. Ông Danielius, người dẫn dắt thiết kế mạch và tích hợp điện tử, vừa tốt nghiệp Tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của ông Vladimir Stojanovíc, Phó giáo sư kỹ thuật điện và khoa học máy tính tại đại học UC Berkeley. Ông Imbert, người dẫn dắt thiết kế thiết bị quang tử, vừa tốt nghiệp Tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của ông Miloš Popović, phó giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại đại học BU.

Chip tự tạo ra ánh sáng lượng tử, và tự ổn định
Với khả năng được sản xuất bằng cùng quy trình sản xuất hàng loạt số lượng lớn để tạo ra hàng tỷ bóng bán dẫn cho các thiết bị điện tử thông thường, chip silicon là nền tảng lý tưởng cho các hệ thống lượng tử dựa trên ánh sáng. Tuy nhiên, việc vận hành ổn định các thiết bị quang lượng tử nhỏ bé này yêu cầu những năng lực hiện chưa được chuẩn hóa trong các nhà máy đúc thương mại. Những thay đổi nhỏ về nhiệt độ, những khiếm khuyết khó nhận biết trong quá trình sản xuất, và cả nhiệt lượng sinh ra từ chính các thành phần của chúng, cũng có thể phá hủy hoàn toàn toàn bộ hệ thống lượng tử. Để kiểm soát những biến đổi nhỏ này, các nhà nghiên cứu đã dựa vào các thiết bị lớn bên ngoài để ổn định các thiết bị quang lượng tử – khiến cho việc thu nhỏ toàn bộ hệ thống chưa thực hiện được.

Việc tạo ra ánh sáng lượng tử trong silicon – mà nhóm nghiên cứu đã sử dụng trong các thiết bị do họ sản xuất tại nhà máy đúc – lần đầu tiên được chứng minh trong một thí nghiệm tại phòng thí nghiệm của ông Prem Kumar ở đại học Northwestern. Trong một nghiên cứu vào năm 2006 đã được công bố trên tạp chí Optics Express, ông Prem và các cộng sự đã chứng minh rằng việc chiếu một chùm ánh sáng tập trung vào các kênh nhỏ được thiết kế phù hợp, được khắc trên silicon, sẽ tự nhiên tạo ra các cặp photon. Các cặp photon này vốn có liên kết với nhau, vì vậy chúng có thể hoạt động như các qubit (1).
(1) Qubit (quantum bit): là một khái niệm cơ bản và quan trọng trong lĩnh vực khoa học thông tin lượng tử. Qubit được định nghĩa là một đối tượng dùng để truyền tải thông tin trên nền tảng lý thuyết thông tin lượng tử và tính toán trên máy tính lượng tử.

Trong nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu đã tích hợp những kênh hình vòng nhỏ xíu này – mỗi kênh nhỏ hơn nhiều so với độ dày của một sợi tóc – vào chip silicon. Khi một tia laser mạnh chiếu vào các kênh tròn này, được gọi là bộ cộng hưởng vòng siêu nhỏ, nó sẽ tạo ra các cặp photon. Để kiểm soát ánh sáng, nhóm nghiên cứu đã bổ sung các cảm biến quang điện, hoạt động như những màn hình nhỏ. Nếu nguồn sáng bị lệch do biến động nhiệt độ hoặc các nhiễu loạn khác, các cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến một bộ gia nhiệt nhỏ, bộ gia nhiệt này sẽ điều chỉnh nguồn photon trở lại trạng thái tối ưu.

Vì chip sử dụng phản hồi tích hợp để tự ổn định, nên nó hoạt động theo cách có thể dự đoán được bất chấp sự thay đổi nhiệt độ và các biến thể trong quá trình sản xuất – một yêu cầu thiết yếu để mở rộng quy mô hệ thống lượng tử. Nó cũng bỏ qua nhu cầu về thiết bị lớn từ bên ngoài.

Tiến sĩ Danielius Kramnik chia sẻ: “Mục tiêu của chúng tôi là chứng minh các hệ thống quang tử lượng tử phức tạp có thể được xây dựng và ổn định hoàn toàn bên trong một chip CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor, tạm dịch là ‘bổ sung kim loại – ôxít – bán dẫn’). Điều đó yêu cầu sự phối hợp chặt chẽ giữa các miền thường không tương tác với nhau.”

Hình ảnh cận cảnh của chip

Tương lai được chế tạo tại nhà máy
Để đảm bảo chip lượng tử phức tạp của họ có thể được sản xuất bằng quy trình CMOS tiêu chuẩn, các nhà khoa học đã áp dụng một chiến lược thiết kế thông minh. Họ tích hợp các thành phần quang tử trực tiếp vào các cấu trúc hiện có mà các nhà máy CMOS thương mại đang sử dụng để sản xuất chip máy tính.

Ông Imbert Wang đã nói rằng: “Chúng tôi đã thúc đẩy quang tử hoạt động trong những giới hạn nghiêm ngặt của một nền tảng CMOS thương mại. Chính điều đó đã giúp chúng tôi có thể đồng thiết kế điện tử và quang học lượng tử thành một hệ thống thống nhất.”

Khi các hệ thống quang tử lượng tử phát triển về quy mô và độ phức tạp, những chip lượng tử tích hợp này có thể trở thành nền tảng cho các công nghệ từ mạng lưới truyền thông an toàn đến cảm biến tiên tiến và cuối cùng là cơ sở hạ tầng máy tính lượng tử.

Phó giáo sư Miloš Popović, tác giả chính của nghiên cứu chia sẻ: “Điện toán lượng tử, truyền thông và cảm biến đang trên con đường dài hàng thập kỷ từ ý tưởng đến hiện thực. Đây là một bước nhỏ trên con đường đó – nhưng là một bước quan trọng, bởi vì nó cho thấy chúng ta có thể xây dựng các hệ thống lượng tử có thể lặp lại và kiểm soát được trong các nhà máy đúc bán dẫn thương mại.”

Để xem các tin bài khác về “Chip”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online