Con chip lượng tử đầu tiên tự tạo và ổn định ánh sáng

Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã tích hợp thành công nguồn sáng lượng tử (quang tử) và mạch điều khiển điện tử trên cùng một chip silicon kích thước siêu nhỏ. Con chip chỉ rộng 1mm² này có khả năng tạo ra cặp photon lượng tử và tự điều chỉnh tín hiệu theo thời gian thực - điều chưa từng có tiền lệ trong ngành công nghệ vi mạch.

Công trình mang tính đột phá này được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu liên ngành đến từ ba trường đại học hàng đầu nước Mỹ: Đại học Northwestern, Đại học California - Berkeley (UC Berkeley) và Đại học Boston (BU). Chip được sản xuất tại một xưởng đúc bán dẫn thương mại theo quy trình CMOS tiêu chuẩn, giống với công nghệ sản xuất chip máy tính phổ thông hiện nay.

Chip silicon tích hợp nguồn sáng lượng tử và mạch điều khiển điện tử dưới kính hiển vi.

Thay vì cần đến hệ thống thiết bị cồng kềnh và phòng thí nghiệm điều kiện đặc biệt như trước đây, chip mới có thể tự tạo và kiểm soát ánh sáng lượng tử nhờ tích hợp đồng thời nhiều thành phần siêu nhỏ: bộ cộng hưởng vòng, cảm biến quang điện và mạch phản hồi nhiệt. Khi một tia laser chiếu vào các vòng cộng hưởng khắc trên bề mặt chip, nó tạo ra các cặp photon mang trạng thái rối lượng tử, nền tảng của qubit ánh sáng.

Khác với các hệ thống trước vốn rất nhạy với nhiệt độ và dễ nhiễu loạn, chip này có thể tự động hiệu chỉnh nhờ vào cơ chế phản hồi tích hợp. Các cảm biến sẽ liên tục theo dõi nguồn sáng và gửi tín hiệu đến bộ gia nhiệt để đảm bảo trạng thái tối ưu. Toàn bộ quá trình này diễn ra ngay trên con chip mà không cần bất kỳ thiết bị ngoài nào hỗ trợ.

Điều quan trọng hơn, chip được sản xuất bằng dây chuyền CMOS 45nm – tức không cần nhà máy chuyên dụng, chi phí sản xuất thấp và khả năng nhân rộng cao. Đây là bước tiến cực kỳ quan trọng để công nghệ lượng tử bước ra khỏi môi trường thử nghiệm và tiến tới thương mại hóa ở quy mô lớn.

Thiết kế tích hợp giúp chip lượng tử hoạt động chính xác mà không cần thiết bị phụ trợ.

Sự phối hợp giữa ba mảng công nghệ: điện tử cổ điển, quang tử và lượng tử – vốn trước đây thường phát triển tách rời – đã tạo nên một cấu trúc thống nhất và vận hành hiệu quả. Nhóm nghiên cứu đã đồng thiết kế ngay từ đầu để đảm bảo các linh kiện tương thích và tương hỗ nhau, giúp con chip hoạt động chính xác và ổn định.

Với những ưu điểm vượt trội về độ nhỏ gọn, khả năng tự vận hành và dễ sản xuất, con chip lượng tử này sẽ là nền tảng cho nhiều ứng dụng thực tiễn: từ mạng truyền thông chống nghe lén, cảm biến y học thế hệ mới, đến các hệ thống xử lý lượng tử có thể thay thế siêu máy tính trong tương lai.

Đây cũng là dấu hiệu cho thấy điện toán lượng tử đang dần bước qua ranh giới giữa nghiên cứu và ứng dụng. Việc chế tạo thành công con chip này không chỉ là một cột mốc kỹ thuật, mà còn là bước đi chiến lược trong việc đưa các công nghệ lượng tử vào thế giới thực.

Diễm Quỳnh