Nhờ đặc tính chống ăn mòn vượt trội cùng cấu trúc oxit ít khuyết tật, nguyên tố Tantan đã giúp nâng thời gian bảo toàn thông tin lượng tử lên gấp hơn 10 lần. Đây là bước tiến hạ tầng then chốt, đưa công nghệ chip siêu dẫn nội địa của Nga vươn lên sánh ngang với các trung tâm nghiên cứu hàng đầu tại Mỹ và Bỉ.
Giới hạn của nhôm truyền thống
Trong ngành công nghiệp điện toán lượng tử, các vi mạch siêu dẫn dựa trên cấu trúc qubit (bit lượng tử) từ lâu đã xem nhôm là vật liệu tiêu chuẩn. Hầu hết các ông lớn công nghệ toàn cầu đều phát triển hệ thống lượng tử dựa trên màng mỏng nhôm và lớp cách điện nhôm oxit. Tuy nhiên, khi quy mô chip lượng tử ngày càng mở rộng, vật liệu truyền thống này bắt đầu bộc lộ những rào cản vật lý khó vượt qua.
Nhược điểm lớn nhất của nhôm nằm ở tính chất hóa học. Vật liệu này rất nhạy cảm với các dung dịch axit và hóa chất tẩy rửa mạnh. Do đó, trong quá trình chế tạo vi mạch, các kỹ sư không thể áp dụng các liệu pháp làm sạch chuyên sâu để loại bỏ triệt để tạp chất ở cấp độ nguyên tử trên bề mặt. Bên cạnh đó, lớp oxit tự nhiên của nhôm chứa mật độ khuyết tật cấu trúc khá cao, chính là nguyên nhân hàng đầu gây thất thoát năng lượng và làm suy giảm nhanh chóng trạng thái chồng phổ của qubit.
Nhằm giải quyết triệt để điểm nghẽn này, các nhà khoa học thuộc trung tâm Quantum Park của Đại học Kỹ thuật Quốc gia Bauman Moscow (MGTU) phối hợp cùng Viện Nghiên cứu Khoa học Tự động hóa Toàn Nga (VNIIA) đã nghiên cứu chuyển sang nền tảng vật liệu Tantan. Tantan là kim loại chuyển tiếp có độ bền hóa học cao, khả năng chống chịu axit tuyệt vời và ít bị ăn mòn trong các môi trường xử lý khắc nghiệt.
Một con chip với các bộ cộng hưởng tantalum được sản xuất tại Quantum Park. Nguồn: Ilya Stepanov
Nhờ đặc tính bền bỉ này, quy trình vi chế tạo cho phép tiến hành các công đoạn tẩy rửa bề mặt ở cường độ cao hơn hẳn. Toàn bộ các nguyên tử bẩn và lớp oxit bề mặt không mong muốn – vốn là tác nhân trực tiếp làm hỏng hiệu suất của qubit – đều được loại bỏ hoàn toàn. Hơn thế nữa, lớp oxit tự nhiên hình thành trên Tantan sở hữu cấu trúc mạng tinh thể đồng nhất, chứa ít khuyết tật vi mô hơn đáng kể so với nhôm oxit.
Kết quả là, công nghệ vi mạch tích hợp siêu dẫn trên nền Tantan cho phép nâng cao chất lượng linh kiện máy tính lượng tử lên hơn 10 lần, mở ra khả năng duy trì thông tin lượng tử trong khoảng thời gian dài chưa từng có.
Sánh ngang đỉnh cao công nghệ tại Mỹ và Bỉ
Để đánh giá chính xác độ hiệu quả của vật liệu mới, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm trên các bộ cộng hưởng vi sóng bằng Tantan. Trong thiết kế chip siêu dẫn, bộ cộng hưởng đóng vai trò như thước đo nền tảng phản ánh khả năng lưu trữ và bảo toàn năng lượng lượng tử của hệ thống.
Kết quả thực nghiệm ghi nhận hệ số phẩm chất của bộ cộng hưởng Tantan đã vượt mốc 10 triệu ở chế độ đơn photon. Trong cơ học lượng tử, chỉ số Q-factor càng cao chứng tỏ năng lượng của hệ thống ít bị thất thoát ra môi trường xung quanh, đồng nghĩa với việc thông tin lượng tử được lưu giữ càng lâu và ổn định.
Con số 10 triệu được giới chuyên gia đánh giá là một chỉ số kỷ lục của ngành công nghệ siêu dẫn toàn cầu. Trước thời điểm nghiên cứu này được công bố, mức hiệu suất vượt trội như trên mới chỉ được ghi nhận tại hai trung tâm công nghệ danh tiếng thế giới: Đại học Princeton (Mỹ) và Trung tâm Công nghệ Nano IMEC (Bỉ).
Sự kiện này đánh dấu việc các nhà khoa học Nga đã chính thức làm chủ công nghệ chế tạo linh kiện lượng tử hiệu suất cao. Việc đưa chỉ số Q-factor chạm ngưỡng hàng đầu thế giới chứng minh rằng nền tảng Tantan hoàn toàn đủ khả năng thay thế các thiết kế nhôm truyền thống trong việc xây dựng các bộ xử lý lượng tử quy mô lớn.
Để tìm ra công thức chuẩn xác, nhóm nghiên cứu tại Đại học Bauman và VNIIA đã phải tiến hành hơn 1.000 cuộc thử nghiệm liên tục. Mỗi thực nghiệm là một sự kết hợp khắt khe giữa việc thay đổi nhiệt độ, áp suất, tốc độ lắng đọng và xử lý bề mặt nền silic.
Ảnh SEM của một con chip có các bộ cộng hưởng dựa trên tantali được sản xuất tại Quantum Park. Nguồn: Ilya Stepanov
Bước đệm cho siêu máy tính lượng tử nội địa
Không chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm, công nghệ chế tạo chip Tantan đã nhanh chóng được hoàn thiện để bước vào giai đoạn thương mại hóa. Theo kế hoạch được công bố, những đợt cung cấp bộ đồng xử lý lượng tử đầu tiên dựa trên nền tảng Tantan dự kiến sẽ bắt đầu ngay trong mùa thu năm 2026.
Sự hợp tác chặt chẽ giữa trung tâm Quantum Park thuộc Đại học Bauman và Viện VNIIA (đơn vị trực thuộc Tập đoàn Năng lượng Nguyên tử Quốc gia Rosatom) cho thấy sự chủ động cao trong chuỗi cung ứng công nghệ cao. Việc thương mại hóa thành công vi xử lý Tantan sẽ tạo tiền đề quan trọng để Nga xây dựng các siêu máy tính lượng tử có năng lực tính toán vượt trội mà không bị phụ thuộc vào linh kiện ngoại nhập.
Trong bối cảnh cuộc đua điện toán lượng tử toàn cầu đang diễn ra gay gắt giữa các cường quốc, bước tiến về vật liệu Tantan đại diện cho một cách tiếp cận đột phá. Thay vì chỉ tập trung gia tăng số lượng qubit trên các nền tảng vật liệu cũ vốn đã chạm ngưỡng giới hạn, việc nâng cao chất lượng nền tảng vật liệu ngay từ gốc sẽ giúp giảm thiểu đáng kể tỷ lệ lỗi tính toán – rào cản lớn nhất hiện nay của điện toán lượng tử.
Theo Pervy Tekhnichesky
Thùy Anh
