Công nghệ nguồn photon đơn bán dẫn: Đột phá phần cứng then chốt cho máy tính lượng tử

Trong cấu trúc của máy tính lượng tử quang học, nguồn phát photon đơn bán dẫn đóng vai trò là khối phần cứng cốt lõi, quyết định trực tiếp đến năng lực xử lý và độ tin cậy của toàn bộ hệ thống. Thay vì sử dụng các hạt mang điện như máy tính bán dẫn truyền thống hay trạng thái siêu dẫn phức tạp, máy tính lượng tử quang học vận hành dựa trên các hạt ánh sáng (photon) mang thông tin lượng tử.

Tại công ty công nghệ Quandela (Pháp), việc phát triển và chế tạo thành công nguồn photon đơn dựa trên công nghệ chấm lượng tử (quantum dot) đã tạo ra bước ngoặt trong nỗ lực công nghiệp hóa máy tính lượng tử, dưới sự quản lý quy trình sản xuất của TS Âu Thị Hường.

TS Âu Thị Hường, Giám đốc phụ trách sản xuất nguồn bán dẫn tại Quandela đang cầm trên tay một trong những linh kiện quan trọng nhất - "trái tim" của chiếc máy tính lượng tử: một nguồn phát photon đơn dựa trên chấm lượng tử (quantum dot) được kết nối với sợi quang, có nhiệm vụ truyền các photon vào bộ phận chính của máy tính thông qua mạng lưới các ống dẫn sóng và sợi quang. Ảnh: Quandela

Nguyên lý vận hành của nguồn phát photon đơn bán dẫn

Về mặt kỹ thuật, nguồn phát photon đơn được xây dựng dựa trên các chấm lượng tử tích hợp sâu trong cấu trúc bán dẫn. Bản chất của linh kiện này là phát ra chính xác một photon duy nhất tại mỗi xung kích thích, loại bỏ hiện tượng phát xạ đa hạt gây nhiễu loạn trong tính toán lượng tử.

Linh kiện thành phẩm có kích thước vật lý chỉ vài micromet, nhỏ hơn nhiều so với đường kính một sợi tóc người. Tuy nhiên, các cấu trúc nano bên trong đòi hỏi độ chính xác chế tạo ở thang nanomet. Sau khi được tạo ra từ chấm lượng tử, các hạt photon được kết nối trực tiếp vào sợi quang để dẫn truyền qua hệ thống ống dẫn sóng quang học, đi tới các bộ vi xử lý và cổng logic lượng tử.

TS Âu Thị Hường hướng dẫn nhân viên xử lý quy trình liên quan đến hoá chất. Ảnh: NVCC.

Đột phá về hiệu suất truyền dẫn trong giai đoạn 2022-2025

Thách thức lớn nhất của các nguồn photon lượng tử truyền thống nằm ở hiệu suất thu nhận thấp và suy hao quang học nghiêm trọng khi truyền vào sợi quang. Trong giai đoạn từ năm 2022 đến 2025, dây chuyền sản xuất bán dẫn tại Quandela đã ghi nhận bước tiến nhảy vọt về các chỉ số kỹ thuật thông qua việc tối ưu hóa vật liệu và cấu trúc quang học.

Sự cải tiến vượt bậc này là kết quả của việc tái thiết kế vi hốc quang học (optical cavity), hoàn thiện quy trình kiểm soát hóa chất trong phòng sạch và hiểu rõ cơ chế vật lý tương tác giữa chấm lượng tử với trường điện từ xung quanh.

TS Âu Thị Hường cùng các đồng nghiệp tại Quandela. Ảnh: NVCC

Bài toán ổn định hóa từ nghiên cứu hàn lâm sang công nghiệp

Khoảng cách giữa một thử nghiệm thành công trong phòng thí nghiệm và một sản phẩm thương mại là rào cản then chốt của công nghệ sâu (deep tech). Trong môi trường học thuật, một linh kiện đạt kết quả đo xuất sắc trong điều kiện cô lập là đủ để công bố. Tuy nhiên, sản xuất công nghiệp đòi hỏi khả năng tái lập kết quả đó trên quy mô hàng loạt linh kiện với độ tin cậy tuyệt đối.

Các hệ thống lượng tử cực kỳ nhạy cảm với các biến thiên vi mô từ môi trường bên ngoài như nhiệt độ, độ rung cơ học và tạp chất hóa học. Do đó, quy trình công nghệ phải thiết lập được các tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng khắt khe để đảm bảo từng linh kiện rời khỏi phòng sạch đều duy trì hiệu năng đồng nhất theo thời gian.

TS Âu Thị Hường trong những hoạt động trao đổi, chia sẻ về công nghệ tại Việt Nam. Ảnh: NVCC

Xây dựng chuỗi cung ứng và hệ sinh thái công nghệ cao

Để duy trì năng lực cạnh tranh trong lĩnh vực máy tính lượng tử, một công nghệ riêng lẻ không thể tồn tại độc lập nếu thiếu một hệ sinh thái hỗ trợ toàn diện. Yếu tố này bao gồm đồng bộ hạ tầng thiết bị chế tạo, chuẩn hóa quy trình phòng sạch và đào tạo nguồn nhân lực có chuyên môn sâu về vật lý chất rắn kết hợp kỹ thuật bán dẫn.

TS Âu Thị Hường: Đóng góp cho đất nước không chỉ được đo bằng việc có trở về nước định cư hay không, mà còn ở việc chuyển giao tri thức, đào tạo nhân lực và kết nối chuỗi cung ứng.

Việc kết nối các mạng lưới chuyên gia công nghệ cao như "Vietnamese High-Tech Youths in Europe" mở ra tiềm năng lớn để chuyển giao tri thức và tích hợp nguồn lực. Đối với những quốc gia đang bước đầu tiếp cận lĩnh vực bán dẫn và lượng tử, việc tập trung đào tạo nền tảng, tạo điều kiện tiếp cận các công cụ tính toán mô phỏng và thực nghiệm chuyên sâu là lộ trình bền vững để từng bước tham gia vào chuỗi giá trị công nghệ cao toàn cầu.