Có thể tích hợp và kiểm soát các trạng thái lượng tử vào các linh kiện điện tử thông thường

Sau hàng thập kỉ thu nhỏ, các linh kiện điện tử tạo nên máy vi tính và các công nghệ hiện đại của chúng ta nay bắt đầu chạm tới giới hạn cơ bản. Đối mặt với thách thức này, các kĩ sư và nhà khoa học trên thế giới đang chuyển hướng sang một luận thuyết hoàn toàn mới: công nghệ thông tin lượng tử.

Công nghệ lượng tử khai thác các quy luật kì lạ chi phối các hạt ở cấp nguyên tử, và thường được xem là quá phức tạp để đồng tồn tại với linh kiện điện tử mà chúng ta sử dụng thường ngày trong điện thoại, laptop và xe hơi. Tuy nhiên, các nhà khoa học cùng với Khoa Kĩ thuật Phân tử Pritzker thuộc Đại học Chicago vừa công bố một đột phá quan trọng: Các trạng thái lượng tử có thể được tích hợp và kiểm soát trong các dụng cụ điện tử được sử dụng phổ biến làm từ silicon carbide.

“Khả năng chế tạo và kiểm soát các bit lượng tử hiệu năng cao trong linh kiện điện tử thương mại là một bất ngờ,” phát biểu của David Awschalom, giáo sư Kĩ thuật Phân tử tại Đại học Chicago, một nhà tiên phong về công nghệ lượng tử. “Các khám phá này đã làm thay đổi cách nghĩ của chúng ta về việc phát triển các công nghệ lượng tử - có lẽ chúng ta có thể tìm ra một cách sử dụng linh kiện điện tử hiện nay để xây dựng các dụng cụ lượng tử.”

Trong hai bài báo công bố trên tạp chí Science và Science Advances, nhóm Awschalom đã chứng minh rằng họ có thể kiểm soát điện các trạng thái lượng tử nhúng trong silicon carbide. Đột phá này có thể đem lại một phương tiện dễ dàng hơn để thiết kế và chế tạo linh kiện điện tử lượng tử - trái ngược với việc sử dụng các vật liệu mới lạ mà các nhà khoa học thường cần dùng cho các thí nghiệm lượng tử, ví dụ như các kim loại siêu dẫn, nguyên tử được nâng lơ lửng hoặc kim cương.

(Từ trái sang) Các sinh viên Kevin Miao, Chris Anderon, và Alexandre Bourassa đang theo dõi các thí nghiệm lượng tử tại Khoa Kĩ thuật Phân tử Pritzker. Ảnh: David Awschalom

Các trạng thái lượng tử này ở silicon carbide có lợi ích nữa là chúng phát ra các hạt ánh sáng với bước sóng gần dải sóng viễn thông. “Điều này khiến chúng rất thích hợp cho sự truyền tải đường dài qua chính mạng cáp quang đã chuyên chở 90 phần trăm tổng lượng dữ liệu toàn cầu,” Awschalom nói.

Hơn nữa, các hạt ánh sáng này có thể có được các đặc tính mới đầy lí thú khi kết hợp với các linh kiện điện tử hiện có. Ví dụ, trong bài báo Science Advances, đội khoa học đã có thể tạo ra cái Awschalom gọi là “radio FM lượng tử”; theo cách y hệt như âm nhạc được truyền đến radio trong xe hơi của bạn, thông tin lượng tử có thể được truyền đi những quãng đường cực kì dài.

“Mọi lí thuyết đều đề xuất rằng để đạt tới sự kiểm soát lượng tử tốt ở một vật liệu, thì vật liệu đó phải cực kì tinh khiết và không có các trường thăng giáng,” chàng sinh viên đứng tên đầu bài báo, Kevin Miao nói. “Các kết quả của chúng tôi đề xuất rằng với thiết kế thích hợp, một dụng cụ không những có thể làm giảm bớt các tạp chất đó, mà còn tạo ra những hình thức kiểm soát khác trước đây vốn không thể.”

Trong bài báo Science, họ mô tả một đột phá thứ hai giải quyết một bài toán rất quen thuộc trong công nghệ lượng tử: nhiễu.

“Các tạp chất vốn phổ biến ở mọi dụng cụ bán dẫn, và ở cấp lượng tử, các tạp chất này có thể lấy mất thông tin lượng tử bởi việc tạo ra một môi trường điện nhiễu,” lời của Chris Anderson, đồng tác giả của bài báo. “Đây là một bài toán gần như chung hết cho các các công nghệ lượng tử.”

Thế nhưng, bằng cách sử dụng một trong các linh kiện điện tử cơ bản – diode, một công tắc một chiều đối với các electron – đội nghiên cứu tìm thấy một kết quả ngoài trông đợi khác nữa: Tín hiệu lượng tử đột nhiên trở nên không còn nhiễu và gần như bền hoàn hảo.

“Trong các thí nghiệm của mình, chúng tôi phải sử dụng laser, thật không hay là chúng làm xô đẩy các electron đi tứ tán. Cứ tựa như một trò chơi giám khảo âm nhạc với các electron; khi ánh sáng lóe lên thì mọi thứ ngừng lại, nhưng trong một cấu hình khác,” phát biểu của Alexadnre Bourassa, một đồng tác giả khác của bài báo. “Vấn đề là cấu hình ngẫu nhiên này của các electron ảnh hưởng đến trạng thái lượng tử của chúng tôi. Song chúng tôi tìm được rằng việc thiết đặt điện trường làm loại electron ra khỏi hệ thống và làm cho hệ thống ổn định hơn nhiều.”

Bằng cách tích hợp vật lí học mới lạ của cơ học lượng tử với công nghệ bán dẫn cổ điển đã phát triển tốt, Awschalom và nhóm của ông đang lát đường cho việc tiến tới cách mạng thông tin lượng tử.

“Công trình này mang chúng ta tiến thêm một bước nữa gần hơn đến chỗ hiện thực hóa các hệ thống có khả năng lưu trữ và phân bổ thông tin lượng tử trên các mạng cáp quang của thế giới,” Awschalom nói. “Các mạng lượng tử như vậy sẽ mang lại một lớp công nghệ mới lạ cho phép tạo ra các kênh truyền thông không hack được, viễn tải các trường hợp electron độc thân và hiện thực hóa internet lượng tử.”

Tham khảo: Christopher P. Anderson et al. Electrical and optical control of single spins integrated in scalable semiconductor devices, Science (2019). DOI: 10.1126/science.aax9406

Kevin C. Miao et al. Electrically driven optical interferometry with spins in silicon carbide, Science Advances (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aay0527

Nguồn: PhysOrg.com