Nga làm chủ quy trình chế tạo chip lượng tử tantal

Tantal (hay tantalum, một kim loại chuyển tiếp hiếm) có khả năng chống chịu axit và môi trường khắc nghiệt tốt hơn đáng kể so với nhôm. Điều này cho phép loại bỏ các chất gây ô nhiễm nguyên tử và oxit khỏi bề mặt, những yếu tố làm suy giảm hiệu suất của qubit.

Hơn nữa, oxit tantalum (Ta2O5) tự nhiên chứa ít khuyết tật hơn đáng kể so với oxit nhôm, do đó thông tin lượng tử được lưu giữ lâu hơn.

Chip với các resonator tantalum được chế tạo tại Quantum Park.

Công nghệ này cho phép cải thiện chất lượng các linh kiện điện toán lượng tử hơn 10 lần so với công nghệ chip Nhôm truyền thống trước đây. Dự kiến những bộ xử lý phụ lượng tử dựa trên tantal đầu tiên sẽ được giao vào mùa thu năm 2026.

Một con chip với các bộ cộng hưởng tantalum được sản xuất tại Quantum Park. Nguồn: Ilya Stepanov

Công nghệ mới này đã được thử nghiệm trên các bộ cộng hưởng vi sóng tantal. Ở chế độ photon đơn, khả năng lưu giữ thông tin lượng tử (chỉ số phẩm chất Q) của chúng được phát hiện là hơn 10 triệu.

Đây là con số đo lường tuyệt đối khả năng giữ năng lượng/thông tin của bộ cộng hưởng vi sóng trong chip. Chỉ số phẩm chất Q càng cao thì thông tin lượng tử (qubit) sống càng lâu trước khi bị biến mất. Mức >10.000.000 là một kỷ lục vật lý rất cao, chứng minh tantal cực kỳ tinh khiết và ít khuyết tật.

Kết quả này nằm trong số những kết quả tốt nhất trên thế giới, sánh ngang với những thành tựu của Trung tâm Công nghệ nano IMEC của Bỉ và Đại học Princeton của Mỹ.

Ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử (SEM) của một con chip có các bộ cộng hưởng dựa trên tantali.

Việc phát triển công nghệ này đòi hỏi các nhà khoa học Nga phải lựa chọn đúng pha của tantal. Màng kim loại này có thể hình thành ở pha alpha và beta, và tantal alpha (α-Ta) có độ tinh khiết cao là cần thiết cho các mạch siêu dẫn.

Hơn 1.000 thí nghiệm đã được thực hiện, phân tích các tấm wafer bằng kính hiển vi truyền qua với độ phân giải nguyên tử. Điều này cho phép họ xác định các đặc điểm cấu trúc của vật liệu dưới nanomet trên silicon, điều mà các thiết bị thông thường không thể làm được.

Về lĩnh vực năng lượng, các siêu máy tính truyền thống tiêu thụ lượng điện khổng lồ. Bằng cách nâng cao độ ổn định của qubit (hơn 10 triệu), máy tính lượng tử sẽ giải quyết các thuật toán phức tạp nhanh hơn hàng triệu lần với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn đáng kể trên mỗi đơn vị phép tính.

Về khía cạnh môi trường, tantal với khả năng chống ăn mòn vượt trội giúp kéo dài tuổi thọ phần cứng lượng tử và giảm đáng kể rác thải điện tử cao cấp; đồng thời năng lượng tính toán vượt trội từ chip tantal giúp tối ưu hóa lưới điện thông minh và chuỗi cung ứng, từ đó cắt giảm trực tiếp dấu chân carbon trong ngành năng lượng và vận tải.

Thành tựu điện toán lượng tử của Nga

- Nga đang xây dựng năng lực điện toán lượng tử siêu dẫn theo hướng tự chủ phần cứng, với hai đơn vị nổi bật là MGTU Bauman và VNIIA thuộc Rosatom. Họ đã phát triển các bộ xử lý SnowDrop, từ 4 qubit lên 8 qubit, với độ chính xác được công bố khoảng 99,21%.

- Bước tiến mới đáng chú ý là Nga tuyên bố làm chủ công nghệ chế tạo mạch siêu dẫn trên nền tantalum và đã chế tạo các resonator tantalum có hệ số phẩm chất Q trên 10 triệu, qua đó đặt nền tảng cho các thế hệ chip lượng tử tiếp theo

- Ngoài ra Nga cũng đang đẩy mạnh hợp tác quốc tế, đặc biệt với Trung Quốc, Ấn Độ và các nước BRICS.

- Năm 2023, Nga và Trung Quốc đã thực hiện thử nghiệm truyền thông tin lượng tử an toàn qua khoảng 3.800 km, sử dụng vệ tinh lượng tử của Trung Quốc để phân phối khóa mã hóa.

- Nga cùng với Ấn Độ đang tìm kiếm hợp tác về điện toán lượng tử và cảm biến lượng tử. Một trong những hướng được đề cập là máy tính lượng tử ion bẫy (trapped-ion) – một công nghệ khác hoàn toàn với SnowDrop/tantalum của Nga.

- Tháng 6/2026, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST) đã cử đoàn sang Moskva dự Diễn đàn Công nghệ Lượng tử BRICS.