Các nhà nghiên cứu đã công bố một bước đột phá trong phần cứng điện toán lượng tử với việc phát triển một thiết bị quy mô chip có thể kiểm soát chính xác tần số laser có độ mỏng chỉ bằng 1% sợi tóc người. Nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí Nature Communications, giải quyết một trong những thách thức kỹ thuật lớn nhất đối với các máy tính lượng tử quy mô lớn: làm thế nào để kiểm soát một số lượng rất lớn qubit một cách ổn định và hiệu quả.
Thiết bị mới là một bộ điều biến pha quang học siêu nhỏ, một linh kiện dùng để điều chỉnh tần số và pha của ánh sáng laser. Khả năng kiểm soát này có vai trò then chốt đối với các nền tảng điện toán lượng tử hàng đầu dựa trên ion bị bẫy và nguyên tử trung hòa bị bẫy (là hai công nghệ chủ đạo trong điện toán lượng tử, đều dựa trên việc “bẫy” các nguyên tử riêng lẻ và dùng chúng làm qubit). Để thực hiện các phép tính, các nguyên tử này phải được điều khiển bằng các chùm laser có tần số được tinh chỉnh với độ chính xác cực cao, thường chỉ sai lệch ở mức phần tỷ của một phần trăm hoặc nhỏ hơn.
Nghiên cứu do Jake Freedman, nghiên cứu sinh tiến sĩ sắp nhập học tại Khoa Kỹ thuật Điện, Máy tính và Năng lượng của Đại học Colorado Boulder, và Matt Eichenfield, giáo sư kiêm Chủ nhiệm Quỹ Karl Gustafson về Kỹ thuật Lượng tử, dẫn dắt. Nhóm nghiên cứu hợp tác với các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia, trong đó có đồng tác giả cao cấp Nils Otterstrom.
Không giống các hệ thống truyền thống vốn dựa vào những linh kiện quang học cồng kềnh đặt trên bàn thí nghiệm, bộ điều biến mới được chế tạo bằng công nghệ sản xuất CMOS, cũng chính là quy trình công nghệ đang được sử dụng để sản xuất vi điện tử hiện đại. Cách tiếp cận này cho phép thiết bị được sản xuất với số lượng lớn, hiệu năng đồng đều và chi phí thấp hơn, đáp ứng yêu cầu của các máy tính lượng tử trong tương lai có thể cần đến hàng chục hoặc hàng trăm nghìn kênh điều khiển quang học.
Con chip hoạt động bằng cách tạo ra các dao động ở tần số vi sóng, rung động hàng tỷ lần mỗi giây. Những dao động này tương tác với ánh sáng laser trên chip, cho phép điều biến pha một cách chính xác và tạo ra các tần số laser mới với độ ổn định cao. Theo nhóm nghiên cứu, thiết bị có thể tạo ra các dịch chuyển tần số này trong khi chỉ tiêu thụ lượng công suất vi sóng thấp hơn khoảng 80 lần so với nhiều bộ điều biến điện–quang thương mại hiện nay.
Việc tiêu thụ ít năng lượng hơn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với khả năng mở rộng các hệ thống lượng tử. Các bộ điều biến truyền thống tiêu tốn nhiều năng lượng và sinh nhiệt, làm hạn chế số lượng thiết bị có thể đặt gần nhau. Bằng cách giảm đồng thời kích thước và yêu cầu về công suất, con chip mới cho phép tích hợp nhiều kênh quang học trên cùng một thiết bị, tiến thêm một bước tới các hệ thống điều khiển lượng tử gọn nhẹ và có khả năng mở rộng.
Hiện nay, các thí nghiệm điện toán lượng tử thường dựa vào những bàn quang học lớn, chứa nhiều linh kiện rời rạc để quản lý tần số laser. Dù hiệu quả cho các thử nghiệm quy mô nhỏ, những cấu hình này không phù hợp với thế hệ máy lượng tử tiếp theo. Như giáo sư Eichenfield nhận định, sẽ không thể xây dựng một máy tính lượng tử với 100.000 bộ điều biến điện–quang cồng kềnh.
Nhóm nghiên cứu cho rằng công trình của họ phản ánh một xu hướng rộng lớn hơn hướng tới quang tử tích hợp, trong đó các linh kiện quang học được sản xuất và kết hợp trên chip tương tự như các mạch điện tử. Nhờ sử dụng công nghệ CMOS, các thiết bị quang tử giống hệt nhau có thể được sản xuất với số lượng lên tới hàng nghìn hoặc hàng triệu chiếc, phù hợp với quy mô cần thiết cho điện toán lượng tử chịu lỗi.
Ngoài điện toán lượng tử, khả năng kiểm soát chính xác tần số laser còn đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực liên quan như cảm biến lượng tử và mạng lượng tử, nơi các nguồn sáng ổn định và hiệu quả là yếu tố then chốt.
Hiện nhóm đang phát triển các chip quang tử tiên tiến hơn, tích hợp nhiều chức năng như tạo tần số, lọc và định hình xung trên cùng một nền tảng. Họ cũng có kế hoạch hợp tác với các công ty điện toán lượng tử để thử nghiệm thiết bị trong các hệ thống ion bị bẫy và nguyên tử trung hòa bị bẫy đang vận hành thực tế.
Dù vẫn còn nhiều thách thức trước khi máy tính lượng tử có thể được triển khai ở quy mô lớn, các nhà nghiên cứu cho rằng bộ điều biến mới đã loại bỏ một nút thắt quan trọng. Bằng việc kết hợp khả năng thu nhỏ cực độ, mức tiêu thụ năng lượng thấp và quy trình sản xuất có thể mở rộng, thiết bị này đưa triển vọng về điện toán lượng tử quy mô lớn và thực tiễn đến gần hơn.
Con chip quang học được phát triển trong nghiên cứu, với ánh sáng laser phát ra từ một mảng sợi quang. Ảnh: Jake Freedman
