Chip lai đầu tiên trên thế giới kết hợp quang tử và thiết bị điện tử với điện toán lượng tử ở đây, và nó được xây dựng như một silicon silicon bình thường

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Boston, UC Berkeley và Đại học Northwestern đã phát triển một "nhà máy ánh sáng lượng tử" chỉ gói gọn trong một chip silicon 1 mm². Được chế tạo bằng quy trình sản xuất CMOS tiêu chuẩn 45 nm, tương tự như quy trình cho các bộ vi xử lý x86 và ARM, phát minh này đưa phần cứng lượng tử tiến gần hơn đến khả năng sản xuất hàng loạt.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Electronic có thể mở ra hướng đi cho điện toán lượng tử quy mô lớn mà không cần thiết lập phức tạp, thay vào đó dựa vào các kỹ thuật sản xuất hàng loạt hiện có. Chip này có thể coi là nguyên mẫu cho dây chuyền sản xuất lượng tử trong tương lai, với 12 vòng silicon nhỏ, gọi là microring resonators, mỗi vòng hoạt động như một máy phát cặp photon có đặc tính lượng tử đặc biệt.

Các cặp photon này là nguồn sống của nhiều công nghệ lượng tử, nhưng việc sản xuất chúng thường cần các thiết lập phòng thí nghiệm dễ bị hỏng. Ở đây, chúng được tạo ra trực tiếp trên một con chip nhỏ bằng móng tay. Điều đáng chú ý là chip không chỉ sản xuất ánh sáng lượng tử mà còn giữ cho ánh sáng này ổn định. Các bộ cộng hưởng vi hình tròn rất mạnh mẽ nhưng nhạy cảm—những thay đổi nhỏ về nhiệt độ hoặc lỗi trong quá trình sản xuất có thể làm chúng mất đồng bộ, ngừng dòng photon.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã tích hợp một hệ thống phản hồi trực tiếp vào chip, giúp mỗi cộng hưởng có một photodiode nhỏ để theo dõi hiệu suất, cùng với các bộ gia nhiệt mini và mạch điều khiển điều chỉnh ngay lập tức. Phương pháp tự điều chỉnh này cho phép cả 12 cộng hưởng hoạt động đồng bộ hoàn hảo mà không cần thiết bị ổn định cồng kềnh như thường lệ. Miloš Popović, phó giáo sư tại Đại học Boston và là một trong những tác giả chính, cho biết: "Đây là một bước nhỏ nhưng quan trọng."

"Nó cho thấy chúng ta có thể xây dựng các hệ thống lượng tử lặp lại và có thể kiểm soát trong các xưởng bán dẫn thương mại. Đây không chỉ là một thử nghiệm tại phòng thí nghiệm, mà là bằng chứng cho thấy chip lượng tử có thể được sản xuất bằng các kỹ thuật công nghiệp giống như sản xuất CPU và GPU. Mặc dù điện toán lượng tử vẫn chưa đạt đến mức độ trưởng thành như các bán dẫn hiện tại, nhưng đây là một bước tiến gần hơn đến điều đó."

Bảng mạch đóng gói chứa chip sử dụng trong các thí nghiệm. Hình ảnh: Đại học Boston. Điều quan trọng nhất là lựa chọn CMOS (Bán dẫn Oxit Kim loại Bổ sung) của nhóm nghiên cứu, một yếu tố quyết định trong lĩnh vực điện tử hiện đại. CMOS là nền tảng của điện tử ngày nay, được các công ty như TSMC sử dụng để sản xuất hàng loạt từ smartphone đến siêu máy tính. Mặc dù công nghệ 45 nm không phải là tiên tiến nhất, nhưng nó đã được chứng minh, tiết kiệm chi phí và tương thích với hạ tầng sản xuất silicon rộng lớn.

Chíp này được phát triển trên nền tảng hợp tác giữa GlobalFoundries và Ayar Labs, một công ty tiên phong trong kết nối quang cho AI và tính toán hiệu suất cao. Sự liên quan với AI không phải ngẫu nhiên; Giám đốc điều hành Nvidia, Jensen Huang, đã nhấn mạnh rằng các bộ cộng hưởng microring trên chíp này là thành phần quan trọng để mở rộng phần cứng AI qua kết nối quang. Nghiên cứu mới cho thấy công nghệ quang học này cũng có thể giúp phát triển các hệ thống lượng tử có thể mở rộng.

Không khó để tưởng tượng một tương lai mà phần cứng lượng tử và AI sử dụng nền tảng silicon tương tự. Hơn nữa, Nvidia đang đầu tư mạnh mẽ vào lĩnh vực này, vì vậy chúng ta có thể mong đợi sự phát triển sẽ gia tăng. Thuật ngữ "nhà máy ánh sáng lượng tử" không chỉ mang tính chất ấn tượng; giống như các chip truyền thống dựa vào dòng electron và mạng quang phụ thuộc vào ánh sáng laser, các công nghệ lượng tử trong tương lai sẽ cần một nguồn cung ổn định về ánh sáng lượng tử.

Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng các nguồn sáng lượng tử có thể được xây dựng, ổn định và sao chép trên silicon, cho thấy phần cứng lượng tử có thể phát triển vượt ra ngoài các thí nghiệm đơn lẻ và có thể mở rộng như máy tính truyền thống. Một số nhà nghiên cứu tham gia dự án đã chuyển sang các vai trò trong ngành công nghiệp.

Các thành viên trong nhóm đã gia nhập các công ty như PsiQuantum, Ayar Labs và Google X, những công ty đang đầu tư mạnh vào công nghệ quang học và lượng tử. Điều này cho thấy lĩnh vực này đang chuyển mình nhanh chóng từ nghiên cứu học thuật sang sản phẩm thực tế, mặc dù đôi khi còn thiên về giải trí hơn là cách mạng. Dự án được hỗ trợ bởi chương trình FuSe của Quỹ Khoa học Quốc gia, Học bổng Packard và Quỹ Catalyst, cho thấy khả năng hợp tác liên ngành có thể đi xa như thế nào.

Photonics, điện tử và quang học lượng tử rất khác nhau, nhưng chip này chứng minh chúng có thể kết hợp trên nền tảng thương mại. Nếu vi xử lý 4004 của Intel đánh dấu sự khởi đầu của điện toán sản xuất hàng loạt, thì nhà máy ánh sáng lượng tử 1 mm² này có thể được nhớ đến như bước đầu tiên hướng tới phần cứng lượng tử sản xuất hàng loạt. Những gì trước đây cần một bàn thí nghiệm giờ đây đã được thu gọn trên một wafer silicon, và đó là một bước tiến đáng chú ý.

Có thể trong vòng một thập kỷ tới, bạn sẽ thấy TSMC mới nổi bật trong lĩnh vực điện toán lượng tử, nhất là khi đã có hệ điều hành cho nó. Hãy theo dõi Toms Hardware trên Google News để cập nhật tin tức, phân tích và đánh giá mới nhất. Nhớ nhấn nút Theo dõi.

Nguồn: www.tomshardware.com/tech-industry/quantum-computing/researchers-pack-a-quantum-light-factory-into-a-1mm-square-chip-combines-photonics-electronics-and-quantum-hardware-with-traditional-silicon-manufacturing