ThienNhien.Net – Tương lai của ngành tin học đang được trông chờ ở Hội nghị “Vật liệu đặc và Vật lý học vật liệu” của Viện Vật lý Hoàng gia Holloway thuộc trường Đại học tổng hợp London diễn ra từ ngày 26-28/03. Đó là điểm kết thúc của con chip silicon.
Chip silicon đã có giá trị hàng thập kỷ trong việc làm tăng đáng kể sức mạnh và tốc độ của tin học, nay có vẻ không còn khả năng duy trì tốc độ đó thêm một thập kỷ nữa. Thực vậy, trong một cuộc trao đổi chung ở hội nghị, ông Suman Datta đến từ trường Đại học bang Pennsylvania, Hoa Kỳ, đã đưa ra một con chip silicon bình thường không còn hoạt động 4 năm nay.
Theo nghiên cứu, hệ mạch điện máy tính silicon đã không còn chỗ để có thể lắp thêm các thành phần khác, dù ở vị trí rất nhỏ trên một con chip. Kết quả là các thiết bị điện tử thu nhỏ bị loại bỏ do những hạn chế vật lý cơ bản. Chúng bắt đầu rò rỉ và mất khả năng lưu giữ các thông tin số. Do vậy, nếu như việc gia tăng tốc độ máy tính cứ tiếp tục không ngừng thì một vài công nghệ mới sẽ phải bỏ qua silicon.
Thay thế chip bằng ống dẫn nano cacbon
Tại hội nghị, các nhà nghiên cứu của Đại học Leeds ở Anh đã đưa ra một sự thay thế đáng kỳ vọng, đó là ống dẫn nano cacbon. Các ống dẫn này được khám phá ra từ năm 1991 là các ống từ cacbon tinh khiết mà kích thước chỉ có vài nanomet – khoảng bằng chiều rộng của một phân tử protein điển hình, và nhỏ hơn hàng vạn lần một sợi tóc của con người. Vì nó dẫn điện, chúng được đề xuất làm ống dẫn làm sẵn cỡ phân tử dùng cho việc thiết kế mạch điện.
Một vài ống dẫn nano hoạt động như chất bán dẫn, giống như silicon; một số khác mang dòng điện giống như dây dẫn kim loại. Các yếu tố cơ bản của mạch điện máy tính, như các bóng bán dẫn, được làm từ các ống dẫn nano cacbon riêng biệt.
Nhưng vấn đề là sắp đặt các ống nano vào hệ mạch điện. Một cản trở là chúng được thiết kế theo khuôn mẫu dưới dạng hỗn hợp các ống kim loại và bán dẫn, trong khi một thành phần nào đó thì chỉ cần có một trong hai loại. Những tính chất điện này phụ thuộc vào sắp xếp chi tiết của một nguyên tử cacbon trong ống nano, nhưng thật khó để xác định ra từng ống riêng lẻ.
Bryan Hickey và đồng nghiệp tại trường Leeds hiện nay đã phát triển một công nghệ có thể phát hiện ra cấu trúc của một ống nano riêng rẽ (và cả đặc điểm của chúng), khi đó cho phép nó đặt tại một điểm trên bề mặt với độ chính xác cỡ 100 nanomet, bằng một phần nhỏ chiều rộng của phân tử máu trong cơ thể người.
Chris Allen, một trong những người thuộc nhóm nghiên cứu trường Leeds, nói rằng “Với công nghệ này chúng ta có thể tạo ra các thiết bị bằng ống dẫn nano cacbon tinh vi mà không thể đạt được bởi đa số các phương tiện khác”.
Thúc đẩy công nghệ máy tính với chất siêu dẫn
Hai thảo luận khác tại hội nghị cũng đã đưa ra một phương pháp còn đáng kinh ngạc hơn để vượt qua những hạn chế của những chiếc máy tính silicon. Hans Mooij đến từ Đại học Công nghệ Delft của Hà Lan và Raymond Simmons đến từ Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia ở Boulder, Colorado, Hoa Kỳ tuyên bố rằng, chất siêu dẫn – là vật liệu dẫn điện với điện trở bằng 0 – có thể khai thác khả năng của vật lý lượng tử để thúc đẩy sức mạnh của máy tính một cách to lớn.
Những thứ gọi là máy tính lượng tử đã trở thành một trong những thiết bị nổi bật nhất trong vật lý học suốt hàng thập kỷ qua. Chúng nỗ lực để nâng cao sức mạnh của silicon không phải bằng cách làm cho các thành phần nhỏ hơn mà là khai thác nguyên lý khác thường (phản trực giác) của cơ học lượng tử, lý thuyết giải thích cách thức các vật hoạt động ở cấp độ nguyên tử và phần tử dưới nguyên tử.
Các vật tuân theo định luật lượng tử có thể nằm ở nhiều trạng thái khác nhau cùng lúc, giống như một bóng đèn nhảy giữa chế độ “bật” và “tắt” liên tục. Những trạng thái “chồng chất” này không tương ứng với bất kỳ trạng thái tương tự nào của thế giới thông thường, nhưng vô số thí nghiệm đã chứng minh rằng chúng có thể tồn tại lâu đến mức các vật lượng tử không bị phiền nhiễu, chẳng hạn, việc tiến hành đo đạc trên chúng.
Trong máy tính lượng tử, đương lượng/đơn vị “bit” lưu giữ các thông số nhị phân 1 và 0 trong máy tính hiện nay là các bit lượng tử hay qubit, cũng có thể tồn tại ở trạng thái “chồng chất” 1 và 0. Điều này làm gia tăng một cách khủng khiếp lượng thông tin có thể mã hóa trong bộ nhớ của máy tính lượng tử. Điều cần nắm được là sự chồng chất cực kỳ nhạy cảm và khó duy trì, đặc biệt là trong những bộ nhớ chứa đựng lượng lớn qubit có tương tác với những qubit khác.
Những ứng cử tạo qubit khác nhau đã được khám phá, ví dụ là các nguyên tử bị nhiễm từ hay các hạt bán dẫn cỡ nanomet. Nhưng từ lâu người ta đã nhận ra rằng các cuộn/mạch vật liệu siêu dẫn cũng nằm trong trạng thái chồng chất lượng tử, và do đó sẽ hoạt động như các qubit. Ở đây, trạng thái lượng tử sẽ tương ứng với một dòng điện luân chuyển vòng tròn theo một hướng này hay hướng khác. (Trong vật liệu siêu dẫn chu trình này dù gì cũng sẽ tiếp tục vô hạn mà không hề suy giảm, bởi vì chúng không có điện trở.)
Tại hội nghị, Simmonds trình bày sự trình diễn thông tin đầu tiên được truyền giữa hai qubit siêu dẫn như vậy. Điều này chỉ ra rằng các yếu tố kiểu này có thể hoạt động như một bộ nhớ máy tính lượng tử và một “xe buýt” để qubit này liên kết thông tin với qubit khác, là đòi hỏi cần thiết của bất kỳ máy tính làm việc nào.
Hai cuộn/mạch siêu dẫn được làm từ các sợi nhôm mảnh nằm trên một lát saphia và làm lạnh xuống dưới 0,1 độ để biến chúng thành siêu dẫn. Chúng chỉ nằm cách nhau 1 milimet, nhưng nối với nhau bằng một đường dẫn sóng uốn lượn dài khoảng 7 milimet – một kiểu kênh ánh sáng, giống như sợi quang học, nhưng là loại dành cho vi sóng. Trạng thái chồng chất của một qubit có thể được chuyển thành một rung động điện vi sóng của đường dẫn sóng, giống như khi búng dây đàn ghita. “Photon” vi sóng năng lượng này ghi lại trạng thái của qubit đầu tiên để sau đó được chuyển sang một qubit khác một cách có kiểm soát – mà quan trọng là, không hề phá hủy những trạng thái lượng tử nhạy cảm này.
Mooij thuộc một nhóm nghiên cứu đã chứng minh được rằng, năm 2000, các cuộn mạch siêu dẫn đó có thể thay thế trong các trạng thái chồng chất lượng tử. Ông ta mô tả quá trình mà ông và các cộng sự đã tiến hành sau đó, cả trong việc tạo ra các thiết bị lượng tử thực tế và sử dụng chúng để tìm ra các khía cạnh cơ bản khác của cơ học lượng tử, như là có hay không tính chất bất thường lượng tử của sự chồng chất và tính chất đó tồn tại như thế nào khi các vật liên quan sẽ lớn hơn cả nguyên tử.
Mooij nói rằng, một trong những thách thức lớn nhất của việc tạo ra các máy tính lượng tử theo cách này là tiến tới từ hai đến ba qubit liên kết được với nhau. Ông ta nói rằng cách tiếp cận cụ thể mà ông và đồng nghiệp đã phát triển có thuận lợi ở chỗ, nếu điều này đạt được thì việc nhân thêm nữa không quá khó khăn.
Mooij nói “Với qubit của chúng tôi, một khi 3 qubit thiết lập được, chúng ta có thể tiến tới con số 20 hay 50”.
