Máy tính thông thường xử lý thông tin bằng bit nhị phân, mỗi bit chỉ mang một giá trị duy nhất, 0 hoặc 1. Qubit, đơn vị tính toán của máy tính lượng tử, tồn tại ở cả hai trạng thái cùng lúc nhờ hiện tượng chồng chập lượng tử. Điều đó cho phép máy tính lượng tử giải những bài toán mà siêu máy tính nhanh nhất hiện nay cần hàng thập kỷ, còn máy tính lượng tử chỉ cần vài phút.
Thách thức không nằm ở chỗ liệu qubit có hoạt động hay không. Nó nằm ở chỗ làm thế nào để đặt hàng triệu qubit lên một con chip và vận hành chúng ổn định, đủ lâu để tính toán có ý nghĩa.
 |
| Mảng qubit hoạt động với khoảng cách giữa cổng đẩy (P) và cổng chắn (B) chỉ khoảng 6 nm, được chế tạo bởi Imec. Ảnh: Imec |
Imec không phát minh ra loại qubit mới. Lab này chọn silicon quantum dot qubit, loại qubit gần nhất với cách ngành bán dẫn đang hoạt động hàng ngày. Nguyên lý tương đối trực tiếp: cấu trúc silicon nhốt từng electron đơn lẻ, spin của electron đó mang thông tin. Các cổng kim loại bên ngoài điều khiển tương tác giữa các chấm lượng tử.
Lý do chọn loại này không phải vì nó mạnh nhất. Lý do là nó có thể sản xuất bằng dây chuyền chip hiện có. Google và IBM theo đuổi các kiến trúc qubit khác mạnh hơn, nhưng đòi hỏi môi trường sản xuất hoàn toàn khác biệt. Imec đặt cược vào con đường dễ nhân rộng hơn.
Hiệu suất của chip phụ thuộc trực tiếp vào khoảng cách giữa các cổng điều khiển. Khoảng cách càng nhỏ, khả năng kiểm soát qubit càng chính xác, độ trung thực của phép tính càng cao. Nhưng đây là khoảng cách đo bằng nanomet, một phần tỷ của một mét, nên cần công nghệ in thạch bản tiên tiến nhất hiện có mới chạm tới được.
Imec dùng High-NA EUV lithography - công nghệ in mạch vi điện tử thế hệ mới nhất mà ngành bán dẫn đang dần đưa vào sản xuất để tiến tới chip dưới 2 nanomet. Cỗ máy này nặng 150 tấn, kích thước bằng một chiếc xe buýt. Các gương phản xạ bên trong to gấp đôi và nặng gấp mười lần so với máy EUV thông thường. Hiện tại, công nghệ này chủ yếu phục vụ chip AI hiệu suất cao và bộ nhớ mật độ lớn.
Imec dùng nó để làm điều khác. Cụ thể: tạo khoảng cách 6 nm giữa các cổng điều khiển qubit trong quy trình tương thích wafer silicon 300mm tiêu chuẩn của ngành.
6 nm và nó nằm trọn trong dây chuyền nhà máy chip hiện tại.
Tại sao kết quả này quan trọng hơn một đột phá thông thường?
Imec không tuyên bố vừa xây xong máy tính lượng tử mạnh nhất. Mục tiêu của lab cũng không phải vậy. Điều Imec chứng minh được là silicon qubit có thể thu nhỏ theo cách mà ngành công nghiệp bán dẫn hoàn toàn quen thuộc, không cần thêm bất kỳ cuộc cách mạng kỹ thuật nào.
Với khoảng cách 6 nm trong quy trình 300mm fab, Imec mở ra khả năng tích hợp hàng triệu qubit trên một chip đơn, điều mà các kiến trúc qubit khác chưa đạt được ở quy mô tương tự. Quan trọng hơn, theo Imec, dây chuyền sản xuất chip có thể chuyển từ bit nhị phân sang qubit mà không cần đầu tư xây lại từ đầu.
Đây là điểm khác biệt so với phần lớn các hướng nghiên cứu lượng tử khác. Google, IBM và nhiều startup lượng tử đang chạy đua phát triển qubit mạnh hơn, nhưng bài toán đưa chúng vào sản xuất đại trà vẫn còn bỏ ngỏ. Imec không giải bài toán hiệu suất. Lab này giải bài toán sản xuất.
Các ước tính trước đây cho rằng máy tính lượng tử thương mại quy mô lớn có thể xuất hiện vào khoảng năm 2030. Thành tựu của Imec đặt ra câu hỏi liệu mốc đó có thể đến sớm hơn, dù chưa có bằng chứng xác nhận.
Điều có thể khẳng định là: Imec lần đầu tiên chứng minh silicon qubit hoàn toàn tương thích với quy trình sản xuất chip tiêu chuẩn hiện nay. Bước tiếp theo trong lộ trình của lab là tăng mật độ qubit lên quy mô lớn hơn và kiểm tra độ ổn định trên toàn bộ wafer trước khi bất kỳ hãng chip nào có thể đưa vào sản xuất thực tế. Cả hai thách thức đó vẫn ở phía trước.
High-NA EUV lithography dự kiến mở rộng ra nhiều nhà máy chip trong nửa cuối thập kỷ này. Khi công nghệ đó phổ biến, silicon qubit theo cách Imec vạch ra có thể đi kèm mà không cần ngân sách đầu tư riêng. Năm 2030 vẫn là mốc ngành công nghiệp lượng tử đang nhắm tới, nhưng nền tảng kỹ thuật để vượt qua mốc đó vừa vững hơn một bậc.
