Microsoft đã công bố chíp lượng tử Majorana 1 (nguồn: John Brecher/Microsoft).
Chíp xử lý lượng tử mới, mang tên Majorana 1, là một nguyên mẫu chíp tám qubit được chế tạo từ vật liệu chất dẫn topo (topoconductor). Vật liệu này có khả năng đạt được trạng thái "topological" của vật chất và khai thác các quy luật cơ học lượng tử, giúp xử lý dữ liệu theo cách thức 1 và 0 trong máy tính lượng tử. Qubit mới, gọi là topological qubit, có nhiều ưu điểm vượt trội như: ổn định hơn, nhỏ hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn và dễ mở rộng hơn so với các qubit làm từ kim loại siêu dẫn, loại qubit phổ biến hiện nay trong các máy tính lượng tử của các công ty như Google, IBM và Microsoft.
Quá trình chế tạo bộ xử lý lượng tử chỉ có thể thực hiện được sau khi các nhà nghiên cứu quan sát và kiểm soát được một hạt vi mô đặc biệt, gọi là Majorana fermion - một khái niệm trong vật lý lý thuyết, được nhà toán học và vật lý học Ettore Majorana đề xuất lần đầu tiên vào năm 1937. Majorana fermion có đặc tính “lạ lùng” khi là phản hạt của chính nó, điều này mở ra khả năng lưu trữ thông tin lượng tử cực kỳ ổn định. Việc phát hiện và ứng dụng Majorana fermion trong máy tính lượng tử đã là một chủ đề nghiên cứu lâu dài, với các kết quả đáng chú ý như báo cáo phát hiện vào năm 2012 và gần đây nhất là vào tháng 04/2024.
Chất dẫn topo đặc biệt chính là yếu tố then chốt giúp tạo ra qubit này. Các nhà khoa học sử dụng vật liệu kết hợp bán dẫn arsenide indium với chất siêu dẫn nhôm để chế tạo chất dẫn topo, đồng thời tạo ra các điều kiện rất đặc biệt (nhiệt độ cực thấp gần 0 tuyệt đối và từ trường) để kích hoạt sự chuyển đổi sang trạng thái vật chất topo mới. Chính sự kết hợp chính xác này đã cho phép họ tạo ra các Majorana zero modes (MZM), các điểm quan trọng trên qubit.
Để tạo ra qubit nhỏ hơn 10 micron - nhỏ hơn nhiều so với qubit siêu dẫn, các nhà khoa học sắp xếp một bộ dây nano thành hình chữ H, với các dây dẫn topo nối ở giữa bằng một dây siêu dẫn. Quá trình làm lạnh và điều chỉnh bằng từ trường đã tạo ra bốn MZM xuất hiện ở 4 điểm của chữ H, đồng thời kết nối với một chấm lượng tử bán dẫn để đo tín hiệu hoạt động của thiết bị.
Các nhà khoa học tin rằng, chíp lượng tử mới này có thể mở ra những bước tiến quan trọng trong các lĩnh vực như: y học, khoa học vật liệu và nhiều ngành khác mà các siêu máy tính hiện nay không thể đạt được. Tuy nhiên, để chíp lượng tử này hoạt động hiệu quả, cần có một hệ sinh thái hỗ trợ, bao gồm các tủ lạnh làm lạnh cực độ, hệ thống quản lý logic điều khiển và phần mềm tích hợp với máy tính cổ điển và trí tuệ nhân tạo. Mặc dù việc tối ưu hóa các hệ thống này sẽ cần nhiều năm nghiên cứu, nhưng các nhà khoa học cho rằng thời gian này có thể rút ngắn nếu có thêm các đột phá mới.
Krysta Svore - Giám đốc nghiên cứu chính của Microsoft cho biết: Kiến trúc qubit mới này, gọi là Topological Core, đại diện cho bước đầu tiên trong con đường tạo ra máy tính lượng tử 1 triệu qubit có thể hoạt động - giống như sự chuyển mình từ máy tính sử dụng bóng bán dẫn sang transistor trong thế kỷ 20.
LB (lược dịch theo Nature)