Những hòn đá tảng trên con đường chế tạo máy tính lượng tử

Thế giới đang diễn ra một cuộc đua tiến tới chế tạo thành công thế hệ máy tính tương lai này và những hòn đá tảng đầu tiên là chế tạo thành công dây dẫn silicon siêu mỏng, ổ cứng siêu nhỏ.

Dây dẫn siêu mỏng

Các nhà nghiên cứu thuộc Đại học New South Wales đã tạo ra loại dây dẫn silicon mỏng hơn 10 ngàn lần so với sợi tóc người và có bán kính chỉ bằng kích thước 4 nguyên tử và độ dày tương đương với 1 nguyên tử. Dây dẫn này có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất thế hệ máy tính lượng tử tương lai.

Khi máy tính ngày càng có kích thước nhỏ hơn và có khả năng thực hiện các lệnh phức tạp hơn, các thành phần cấu tạo cũng cần giảm kích cỡ.

Giáo sư Michelle Simmons, Giám đốc Trung tâm Cao cấp về Điện toán Lượng tử và Công nghệ Thông tin, cho biết Trung tâm đã tạo ra những dây dẫn siêu mỏng bằng silicon. Các dây dẫn này vẫn dẫn điện với điện trở suất tương đương như những dây dẫn dày. Bà Simmons cho rằng đây là điều đáng ngạc nhiên bởi thông thường những dây dẫn càng mỏng thường có điện trở càng lớn. Điều các nhà nghiên cứu muốn chứng minh là họ có thể duy trì mức điện trở rất thấp ở mức độ nguyên tử.

Trong thực tiễn, theo bà Simmons, việc tạo ra một loại dây dẫn mỏng như vậy rất có ích cho ngành bán dẫn bởi các linh kiện cần có kích cỡ ngày càng nhỏ hơn mỗi năm. Với sản phẩm mới này, các thiết bị có thể giảm kích cỡ tới mức độ phân tử và vẫn duy trì được mức điện trở rất thấp.

Một số nhà nghiên cứu đã chế tạo các dây dẫn nano silicon và khi kích cỡ giảm tới dưới 10 nanomet, điện trở tăng rõ rệt. Thông thường, hiện tượng này là do các electron dẫn điện đưa vào silicon bị hút bởi các giao diện và bề mặt ở gần đó.

Rút kinh nghiệm từ kết quả thử nghiệm trên, các nhà nghiên cứu cố ý để các thiết bị có các electron dẫn điện gần nhau bằng cách đặt các nguyên tử phosphor vào silicon. Nhóm nghiên cứu đã gói gọn các nguyên tử này trong một vật liệu silicon trong suốt để có thể tách khỏi các bề mặt và giao diện. Thêm vào đó, phương pháp này giúp bảo vệ lõi trung tâm của dây dẫn, nhằm làm cho chúng dù mỏng nhưng vẫn có điện trở thấp.

Khi có thiết bị nhỏ như vậy, các nhà khoa học có lợi thế trong quá trình phát triển máy tính lượng tử. Giáo sư Summons giải thích đây là loại máy tính mới trong thế giới điện toán. Nó hoạt động trong chế độ lượng tử và công suất của máy tính tăng mạnh theo cấp số nhân, nghĩa là những gì hiện nay con người không thể làm theo đúng tiến độ thời gian trên máy tính hiện nay thì có thể thực hiện được nhanh chóng trên máy tính lượng tử.

Ổ cứng siêu nhỏ

Các nhà khoa học từ Hãng IBM và Trung tâm khoa học Electron tự do của Đức (CFEL) đã chế tạo một thiết bị lưu trữ từ tính nhỏ nhất thế giới. Thiết bị này chỉ sử dụng 96 nguyên tử để tạo ra 1 byte dữ liệu, trong khi các ổ cứng truyền thống cần nửa tỉ nguyên tử để tạo thành mỗi byte dữ liệu.

Tiến bộ khoa học này có thể dẫn đến việc chế tạo ổ cứng máy tính lưu trữ lượng thông tin nhiều hơn gấp 200-300 lần dung lượng hiện nay. Chúng ta hãy tưởng tượng máy nghe nhạc iPod Touch có thể lưu trữ 12,8 terabytes nhạc.

“Một hiệu ứng phổ biến trong tự nhiên tạo ra ý tưởng lưu trữ thông tin này”, ông Sebastian Loth từ CFEL, tác giả chính của nghiên cứu đăng trên tạp chí ‘Science’ số ra ngày 13/1/2012, cho biết. Hiện tượng tự nhiên mà ông Loth nhắc đến là cách thức các electron quay tròn bên trong nguyên tử. Các ổ cứng hiện đại phụ thuộc vào các nguyên liệu từ tính như sắt, trong đó các electron quay cùng hướng thẳng hàng với nhau.

Nhóm nghiên cứu đã lắp ghép các ổ cứng nhỏ từ nguyên tử, sử dụng một công cụ đặc biệt gọi là kính hiển vi quét xuyên hầm (STM). Các nhà nghiên cứu đã cẩn thận đặt các nguyên tử theo hàng , mỗi hàng có 6 nguyên tử. Hai hàng đủ để lưu trữ 1 bit thông tin. 8 cặp hàng nguyên tử có thể lưu trữ đến 1 byte dữ liệu.

Mỗi cặp hai hàng nguyên tử có hai trạng thái từ trường, thể hiện số 0 và 1 trong dữ liệu máy tính nhị phân cổ điển. Một xung điện từ đầu STM đẩy cấu hình từ tính từ hàng nguyên tử này sang hàng nguyên tử kia. Một xung điện yếu hơn được sử dụng để đọc dữ liệu.

Tiến sĩ Matthias Bode, Giáo sư vật lý thí nghiệm tại Đại học Würzburg, nhận xét:  “Điều này cho thấy các nhà khoa học đã có tất cả các yếu tố cần để lưu trữ thông tin trong một ổ cứng phi từ tính có kích cỡ bằng hạt gạo”. Theo ông, phải một thời gian nữa kỹ thuật này mới được sử dụng chế tạo ổ cứng máy tính bởi hiện vẫn còn có một số vấn đề cần giải quyết.

Thứ nhất, ổ cứng này được chế tạo từ nguyên tử sử dụng STM, một phương pháp sản xuất chậm và không thực tế.

Thứ hai, bộ phận lưu trữ thông tin, trạng thái từ tính, chỉ ổn định trong môi trường nhiệt độ rất thấp, khoảng 5oC. Nếu nhiệt độ cao hơn, tốc độ quay của nguyên tử sẽ xáo trộn.

Ông Bode cho rằng việc tìm ra một nguyên liệu hoạt động ở nhiệt độ trong phòng là việc khả thi. Tuy nhiên, để xác định rõ nguyên liệu nào hiệu quả thì các nhà khoa học cần có thời gian tìm kiếm. Ông Loth lưu ý rằng có rất nhiều nguyên liệu để thử nghiệm có trạng thái phi từ tính ở nhiệt độ trong phòng.

Minh Châu (theo ABC)