Một chip quang học siêu nhỏ vừa được giới thiệu, hứa hẹn giảm đáng kể gánh nặng điều khiển laser - một trong những điểm nghẽn lớn khi mở rộng máy tính lượng tử.

Ngày 22/4 (giờ địa phương), TechRadar cho biết con chip có kích thước tương đương một hạt muối này được thiết kế để điều khiển nhanh nhiều điểm mục tiêu bằng số lượng nguồn sáng ít hơn. Cách tiếp cận đó có thể giúp cắt giảm thiết bị và điện năng trong các hệ thống lượng tử quy mô lớn.

Công nghệ này được phát triển במסגרת dự án Quantum Moonshot của MITRE, tổ chức R&D phi lợi nhuận tại Mỹ. Dự án có sự tham gia của MITRE, Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), Đại học Colorado Boulder và Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia. Mục tiêu là xây dựng kiến trúc máy tính lượng tử có khả năng mở rộng bằng cách kết hợp kỹ thuật điều khiển bằng ánh sáng với vật liệu trạng thái rắn, từ đó xử lý ổn định số lượng lớn qubit.

Trong máy tính lượng tử, điều khiển qubit bằng laser từ lâu bị xem là rào cản về khả năng mở rộng. Khi số qubit tăng lên tới hàng triệu, cách làm truyền thống đòi hỏi một laser riêng cho từng qubit, kéo theo số lượng thiết bị phình to và độ phức tạp điều khiển tăng mạnh. Để khắc phục, nhóm nghiên cứu chọn phương án dùng ít chùm laser hơn nhưng phân bổ chúng cực nhanh tới nhiều điểm khác nhau.

Con chip mới có diện tích khoảng 1 mm². Bên trong là một mảng vi cấu trúc dạng công-xôn, mỗi phần đảm nhiệm việc bẻ hướng ánh sáng. Khi được cấp điện áp, lớp nhôm nitride trong cấu trúc sẽ giãn nở hoặc co lại, làm dịch chuyển các công-xôn và giúp ánh sáng trong ống dẫn sóng được quét chính xác tới nhiều vị trí trên bề mặt hai chiều.

Hiệu năng của chip cũng vượt trội so với công nghệ hiện nay. Theo IEEE Spectrum, thiết bị có thể quét khoảng 68,6 triệu điểm sáng mỗi giây, nhanh hơn 50 lần so với bộ quét chùm tia dùng gương vi cơ. Nhóm nghiên cứu cho biết mức này đã tiến sát giới hạn nhiễu xạ về mặt vật lý.

Trong màn trình diễn, nhóm đã tái tạo hình ảnh có độ chính xác cao trên một diện tích cực nhỏ. Thí nghiệm tiêu biểu là tái hiện bức Mona Lisa trong không gian nhỏ hơn diện tích của hai quả trứng đặt cạnh nhau. Tuy vậy, thách thức lớn trong quá trình triển khai không chỉ nằm ở phần cứng, mà còn ở việc điều khiển đồng thời và chính xác chuyển động của hàng nghìn cấu trúc siêu nhỏ.

Phạm vi ứng dụng của công nghệ không chỉ giới hạn ở máy tính lượng tử. Nhóm nghiên cứu cho rằng kỹ thuật quét này có thể đẩy mạnh tốc độ của các quy trình sản xuất dựa trên laser, đặc biệt là in 3D. Công nghệ cũng được kỳ vọng rút ngắn những công đoạn vốn mất hàng giờ xuống còn vài phút, đồng thời mở rộng sang các lĩnh vực như hình ảnh hóa, điện toán hiệu năng cao và thiết bị thí nghiệm sinh học.

Hiện nhóm cũng đang xem xét chuyển cấu trúc công-xôn sang dạng xoắn ốc. Cách tiếp cận này có thể phù hợp với các hệ thống lab-on-a-chip, nơi ánh sáng được dùng để kích hoạt hoặc đo lường phản ứng hóa học ở cấp độ tế bào.

Dù vậy, công nghệ hiện vẫn ở giai đoạn thử nghiệm. Nếu cấu trúc điều khiển nhiều điểm bằng ít nguồn quang được thương mại hóa, tác động của nó có thể vượt ra ngoài máy tính lượng tử, hướng tới đơn giản hóa thiết bị và giảm điện năng tiêu thụ trong hạ tầng trung tâm dữ liệu. Khả năng tích hợp vào hệ thống thực tế và mức độ ảnh hưởng tới thiết kế hạ tầng điện toán quy mô lớn sẽ là những điểm đáng chú ý tiếp theo.