Trong tương lai không xa, máy tính lượng tử có thể trở thành một mặt hàng phổ biến với giá cả phải chăng. Nhận định trên được các nhà vật lý lượng tử đưa ra sau một nghiên cứu mang tính đột phá về khả năng hoạt động hai trạng thái trên vật liệu silicon. Lần đầu tiên một electron có thể tồn tại cùng ...
Trong tương lai không xa, máy tính lượng tử có thể trở thành một mặt hàng phổ biến với giá cả phải chăng.
Nhận định trên được các nhà vật lý lượng tử đưa ra sau một nghiên cứu mang tính đột phá về khả năng hoạt động hai trạng thái trên vật liệu silicon.
Lần đầu tiên một electron có thể tồn tại cùng một lúc ở cả hai nơi bên trong vật liệu điện tử phổ biến nhất hiện nay - silicon.
Công trình nghiên cứu trên là kết quả hợp tác của một nhóm các nhà khoa học Anh-Hà Lan thuộc Đại học Surrey, UCL (University College) London, Đại học Heriot-Watt ở Edinburgh, và Viện Vật lý Plasma FOM gần Utrecht và được đăng trên tạp chí “Nature.”
Các kết quả nghiên cứu đã đánh dấu một bước tiến đáng kể trong việc sản xuất một “máy tính lượng tử” với giá cả phải chăng.
Xung lazer đang đưa electron vào trạng thái xếp chồng. (Nguồn: Internet)
Theo bài nghiên cứu, các nhà khoa học đã tạo ra một phiên bản đơn giản của con mèo Schrödinger - một nghịch lý cả hai trạng thái chết và sống cùng tồn tại đồng thời - trong loại vật liệu đơn giản và rẻ tiền để sản xuất các chip máy tính thông thường.
Giáo sư Ben Murdin, trưởng Nhóm nghiên cứu Quang điện tử thuộc Đại học Surrey, giải thích:
"Đây là một bước đột phá thực sự đối với ngành điện tử hiện đại và có tiềm năng to lớn trong tương lai. Tia laser ngày càng có những ứng dụng to lớn về công nghệ, đặc biệt là việc truyền tải thông tin giữa các máy tính với nhau và phát hiện mới này cho thấy sức mạnh tiềm tàng của chúng trong việc xử lý thông tin bên trong các máy tính." Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã sử dụng xung động từ tia lazer Felix của Hà Lan với bước sóng ngắn và cường độ cao nhằm khiến một electron có quỹ đạo quay bên trong lưới silicon tồn tại hai trạng thái một lúc - được gọi là trạng thái xếp chồng lượng tử.
Các nhà khoa học sau đó đã chứng minh rằng trạng thái xếp chồng có thể kiểm soát được nhằm tạo ra một vụ nổ ánh sáng tại một thời điểm xác định sau khi trạng thái xếp chồng được tạo ra. Những pha bùng nổ của ánh sáng được gọi là “photon echo” và điều đó có nghĩa là lần đầu tiên, các nhà khoa học đã hoàn toàn kiểm soát được trạng thái lượng tử của các nguyên tử.
Sự phát triển của "máy tính lượng tử" dựa trên vật liệu silicon có thể sẽ không còn là giấc mơ. Giáo sư Murdin cho rằng:
"Máy tính lượng tử có thể giải quyết một số vấn đề hiệu quả hơn nhiều so với máy tính thông thường và chúng đặc biệt hữu ích cho an ninh bởi vì họ có thể nhanh chóng giải mã số hiện có và tạo ra các mã không thể giải.
Các thế hệ tiếp theo của thiết bị điện tử trong tương lai sẽ cần đến các phương pháp chồng lấn để làm cơ sở cho những phép tính hoặc xử lý cấp độ lượng tử.
Theo giáo sư Murdin, trong công trình nghiên cứu mang tính đột phát này, các nhà khoa học đã sử dụng một số kỹ thuật lượng tử, đã được các nhà vật lý nguyên tử chứng minh thông qua những thí nghiệm trong một cỗ máy hết sức tinh vi gọi là bẫy nguyên tử lạnh, có thể được thực hiện dễ dàng trong các loại chip silicon - loại vật liệu được dùng trong sản xuất các bóng bán dẫn vốn rất phổ biến.
Giáo sư Gabriel Aeppli, Giám đốc Trung tâm Công nghệ Nano London (Anh) cho biết thêm rằng những phát hiện kể trên có vai trò hết sức quan trọng về cả mặt học thuật lẫn kinh doanh.
"Đứng sau sắt và băng đá, silicon là chất vô cơ dạng tinh thể rắn quan trọng nhất do tiềm năng to lớn của nó đối với việc kiểm soát dẫn điện thông qua các phương tiện điện hóa”./.
Nguyên lý hoạt động của lưới silocon nhúng phospho Electron chạy theo một quỹ đạo ổn định xung quanh nguyên tử phospho nhúng vào lưới tinh thể silicon, biểu thị bởi màu bạc.
Các electron không bị xáo trộn mật độ phân phối, theo tính toán của phương trình cơ học lượng tử về chuyển động, được biểu thị bởi màu vàng.
Một xung laser có thể thay đổi trạng thái của electron để chuyển sang mật độ phân phối biểu thị bởi màu xanh lá cây.
Xung đầu tiên, tia laser phát ra từ bên trái, đặt các electron vào cả hai trạng thái xếp chồng, được kiểm soát với một xung lazer thứ hai, cũng từ bên trái, từ đó làm nảy sinh xung lazer ở ngay bên phải.
Các đặc điểm của xung "echo" trên cho thấy nhóm nghiên cứu đã thành công khi tạo ra trạng thái xếp chồng của electron.
Máy tính lượng tử giá rẻ có thể không còn thuộc về một tương lai quá xa, sau khi các nhà vật lý lượng tử chứng minh khả năng tạo ra hai trạng thái đồng thời trong silicon. Kết quả này mở ra triển vọng xây dựng thiết bị lượng tử từ loại vật liệu quen thuộc, rẻ tiền, vốn đang hiện diện trong hầu hết chip máy tính thông thường. Công trình do các nhà khoa học Anh và Hà Lan thuộc Đại học Surrey, University College London, Đại học Heriot-Watt ở Edinburgh cùng Viện Vật lý Plasma FOM gần Utrecht phối hợp thực hiện. Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Nature, đánh dấu bước tiến đáng kể trong nỗ lực đưa những nguyên lý lượng tử phức tạp vào nền tảng điện tử phổ biến hiện nay.
Điểm nổi bật nằm ở việc một electron trong silicon có thể tồn tại cùng lúc tại hai trạng thái, hiện tượng được vật lý lượng tử gọi là trạng thái xếp chồng. Cách mô tả này gợi nhớ nghịch lý con mèo Schrödinger, trong đó hai khả năng sống và chết được hình dung cùng tồn tại trước khi có phép đo xác định. Thay vì sử dụng một hệ thống cực kỳ đắt đỏ hoặc cỗ máy khổng lồ, nhóm nghiên cứu khai thác silicon, vật liệu đơn giản, quen thuộc và dễ sản xuất. Giáo sư Ben Murdin, trưởng Nhóm nghiên cứu Quang điện tử thuộc Đại học Surrey, xem phát hiện này là bước đột phá thực sự đối với điện tử hiện đại.
Trong thí nghiệm, các nhà khoa học sử dụng xung laser Felix của Hà Lan, có bước sóng ngắn và cường độ cao, để tác động vào electron bên trong mạng tinh thể silicon. Xung laser làm thay đổi quỹ đạo chuyển động của electron quanh nguyên tử phospho được đưa vào mạng silicon, khiến hạt này tạm thời biểu hiện hai trạng thái. Trạng thái đặc biệt ấy không chỉ được tạo ra, mà còn được nhóm nghiên cứu kiểm soát nhằm xác định thời điểm xuất hiện tín hiệu ánh sáng sau đó. Tín hiệu ánh sáng bùng lên theo những thời điểm được điều khiển được gọi là “photon echo”, cung cấp bằng chứng về khả năng kiểm soát trạng thái lượng tử.
Nói đơn giản, electron được đặt vào trạng thái xếp chồng bằng xung laser thứ nhất, sau đó được điều khiển bằng xung laser thứ hai. Sự phối hợp giữa hai xung cho phép các nhà khoa học theo dõi cách trạng thái lượng tử hình thành, biến đổi và tạo ra ánh sáng phản hồi. Hình minh họa của nghiên cứu mô tả electron chuyển động ổn định quanh nguyên tử phospho nằm trong mạng tinh thể silicon, với mật độ phân bố được thể hiện bằng màu sắc. Ban đầu, electron có phân bố được biểu thị bằng màu bạc, trong khi vùng phân bố không bị xáo trộn theo phương trình cơ học lượng tử mang màu vàng.
Khi xung laser tác động, trạng thái electron chuyển sang dạng phân bố mới, được minh họa bằng màu xanh lá cây trong sơ đồ nguyên lý. Theo Giáo sư Murdin, laser vốn đã đóng vai trò quan trọng trong truyền tải thông tin giữa các máy tính, đồng thời có tiềm năng lớn trong xử lý thông tin. Phát hiện mới cho thấy công cụ từng chủ yếu phục vụ truyền thông và đo đạc này có thể tham gia trực tiếp vào việc điều khiển thông tin ở cấp độ lượng tử. Máy tính lượng tử được kỳ vọng giải quyết một số bài toán hiệu quả hơn nhiều so với máy tính thông thường, nhờ khai thác các trạng thái chồng xếp.
Công nghệ này cũng được đánh giá đặc biệt hữu ích cho an ninh, bởi máy tính lượng tử có thể nhanh chóng giải mã một số hệ thống hiện có và tạo ra những mã khó giải. Các thế hệ thiết bị điện tử tương lai có thể cần phương pháp chồng xếp làm nền tảng cho phép tính toán hoặc xử lý thông tin ở cấp độ lượng tử. Điều đáng chú ý là nhiều kỹ thuật trong nghiên cứu từng được các nhà vật lý nguyên tử chứng minh bằng bẫy nguyên tử lạnh, một thiết bị hết sức tinh vi. Nhóm nghiên cứu cho thấy những kỹ thuật ấy có thể được triển khai trên chip silicon, loại nền tảng đang được sử dụng rộng rãi để chế tạo bóng bán dẫn.
Giáo sư Gabriel Aeppli, Giám đốc Trung tâm Công nghệ Nano London, nhận định phát hiện mang ý nghĩa quan trọng đồng thời về mặt học thuật và kinh doanh. Sau sắt và băng đá, silicon được xem là một trong những chất vô cơ dạng tinh thể rắn quan trọng, nhờ tiềm năng kiểm soát khả năng dẫn điện bằng phương tiện điện hóa. Nếu những kết quả này tiếp tục được phát triển, máy tính lượng tử dựa trên silicon có thể tiến gần hơn đến đời sống, thay vì chỉ tồn tại trong các phòng thí nghiệm chuyên biệt. Triển vọng ấy không có nghĩa máy tính lượng tử lập tức thay thế máy tính hiện nay, nhưng nó cho thấy vật liệu quen thuộc có thể trở thành nền móng cho thế hệ xử lý mới.
