Kỷ nguyên lượng tử đang bước sang giai đoạn mới
Thế giới điện toán đang tiến dần đến một ngưỡng mới – nơi máy tính lượng tử có thể xử lý những bài toán mà máy tính cổ điển dù mạnh đến đâu cũng phải “bó tay”. Nhưng cùng với tiềm năng đó là vô vàn thách thức kỹ thuật, đặc biệt là vấn đề nhiệt độ vận hành.
Trong nhiều năm qua, các bộ xử lý lượng tử (quantum processor) phải hoạt động ở nhiệt độ cực kỳ thấp, chỉ vài miliKelvin, tức gần -273°C – gần độ không tuyệt đối. Môi trường này giúp qubit (đơn vị thông tin lượng tử) tránh bị nhiễu loạn và giữ trạng thái chồng chập mong manh của mình. Tuy nhiên, việc duy trì mức lạnh này không hề dễ dàng: cần đến hệ thống tủ lạnh pha loãng khổng lồ, tiêu tốn nhiều năng lượng, tốn diện tích và khiến việc mở rộng quy mô trở nên gần như bất khả thi.
Thế nhưng, vào đầu năm 2025, một tin tức gây chú ý lớn đã đến từ EeroQ – một công ty công nghệ lượng tử non trẻ nhưng đầy tiềm năng tại Chicago. Họ công bố trên tạp chí Physical Review X (PRX) rằng đã giữ và điều khiển được các electron riêng lẻ trên bề mặt heli siêu lỏng ở nhiệt độ hơn 1 Kelvin – ấm hơn 100 lần so với chuẩn thông thường của các hệ lượng tử hiện tại.
Nghe có vẻ đơn giản, nhưng đây là một bước ngoặt thực sự trong lĩnh vực điện toán lượng tử, bởi nó cho thấy rằng chúng ta có thể xây dựng qubit hoạt động ổn định trong điều kiện “ấm áp” hơn nhiều, mở đường cho thế hệ máy tính lượng tử nhỏ gọn, dễ chế tạo và dễ vận hành hơn.
❄️ Vì sao máy tính lượng tử lại cần lạnh đến như vậy?
Để hiểu vì sao phát hiện của EeroQ đặc biệt đến vậy, trước hết hãy nhìn lại “nỗi ám ảnh lạnh giá” của lượng tử.
Qubit – đồng xu đang quay
Trong máy tính cổ điển, một bit chỉ có thể là 0 hoặc 1. Nhưng trong thế giới lượng tử, qubit có thể tồn tại ở cả 0 và 1 cùng lúc – một hiện tượng gọi là chồng chập (superposition).
Tưởng tượng bạn ném một đồng xu: khi đang quay, nó vừa là mặt ngửa vừa là mặt sấp – đó chính là trạng thái lượng tử. Nhưng chỉ cần một chấn động nhẹ – như gió, rung, hay nhiệt – đồng xu sẽ rơi xuống và mất đi “tính song song” ấy.
Để đồng xu “lượng tử” đó quay càng lâu càng tốt, các nhà nghiên cứu phải loại bỏ mọi yếu tố gây nhiễu, đặc biệt là nhiệt. Vì nhiệt độ càng cao, các hạt trong vật chất càng dao động mạnh, phá vỡ trạng thái mong manh của qubit.
Các hệ lượng tử hiện nay – Siêu dẫn và Ion bẫy
Hầu hết máy tính lượng tử hiện nay dựa vào hai nền tảng chính:
- Qubit siêu dẫn (Superconducting Qubit) – được sử dụng bởi Google, IBM, Rigetti. Các qubit này được tạo từ mạch điện siêu dẫn, nơi dòng điện có thể chạy mà không có điện trở. Nhưng hiện tượng siêu dẫn chỉ tồn tại ở nhiệt độ cực thấp (~10–20 mK).
- Qubit ion bẫy (Trapped Ion Qubit) – của IonQ, Honeywell. Chúng hoạt động trong chân không bằng cách giữ các ion bằng điện trường. Tuy không cần quá lạnh, nhưng hệ thống này lại cực kỳ phức tạp, khó mở rộng quy mô vì phải kiểm soát hàng chục laser chính xác tuyệt đối.
Như vậy, dù công nghệ khác nhau, cả hai đều gặp vấn đề lớn: phức tạp, đắt đỏ, và khó mở rộng hàng nghìn qubit.
💡 Ý tưởng táo bạo: Electron “nổi” trên heli
Heli siêu lỏng – nơi vật lý trở nên “kỳ diệu”
Heli ở nhiệt độ cực thấp chuyển sang trạng thái siêu lỏng (superfluid helium) – nó có thể chảy không ma sát, không nhớt, và đặc biệt là vô cùng tinh khiết. Trong môi trường này, không có tạp chất, không có rung động mạng tinh thể – chỉ là “biển nguyên tử” yên lặng tuyệt đối.
Khi một electron được đưa đến gần bề mặt heli siêu lỏng, nó không chìm xuống. Tại sao vậy? Vì electron mang điện âm, còn nguyên tử heli trung hòa về điện. Khi electron lại gần, nó cảm ứng một điện tích dương yếu trong heli, tạo ra lực đẩy khiến electron bị giữ cách bề mặt vài nanomet – giống như đang “nổi” trên mặt hồ lượng tử.
Vì electron không chạm vào vật chất rắn nào, nó hầu như không bị tán xạ hay mất năng lượng, tạo nên một trong những môi trường sạch và ổn định nhất trong vật lý.
Từ ý tưởng lý thuyết đến qubit thực tế
Các nhà vật lý từ lâu đã biết rằng electron trên heli có thể trở thành qubit lý tưởng, vì:
- Chúng có độ tinh khiết lượng tử cao, ít bị nhiễu.
- Spin của electron rất bền, có thể duy trì trạng thái lượng tử trong thời gian dài.
- Việc điều khiển điện thế quanh electron cho phép chuyển đổi trạng thái năng lượng, tạo thành “0” và “1” lượng tử.
Nhưng vấn đề suốt nhiều thập kỷ là: làm sao để kiểm soát và đo được từng electron riêng lẻ? Và đó chính là điều mà EeroQ vừa chứng minh được.
⚙️ Cách EeroQ “bẫy” và “nghe” electron
Trong nghiên cứu đăng trên PRX, nhóm EeroQ đã chế tạo một con chip vi mô có những kênh nhỏ chứa heli siêu lỏng, phía trên là các điện cực siêu dẫn được nối với mạch vi sóng cộng hưởng.
Bằng cách điều chỉnh điện áp, họ tạo ra bẫy điện thế có thể giữ một hoặc vài electron ngay trên bề mặt heli. Khi electron di chuyển hoặc thay đổi trạng thái, nó ảnh hưởng tới tần số cộng hưởng của mạch vi sóng – một dạng tín hiệu mà các nhà nghiên cứu có thể đo được chính xác đến từng electron.
Điều thú vị là họ không cần làm lạnh đến 10 mK như các hệ khác, mà chỉ duy trì ở mức 1–2 K. Ở nhiệt độ này, heli vẫn ở trạng thái siêu lỏng, và electron vẫn “nổi” ổn định.
Kết quả: EeroQ đã phát hiện, giữ và điều khiển được electron đơn lẻ trong môi trường heli siêu lỏng ở 1 K – điều chưa từng có trước đây.
📈 Tại sao việc “ấm hơn” lại quan trọng đến thế?
1. Giảm chi phí, tăng khả năng thực tế
Các hệ thống siêu lạnh hiện nay rất đắt đỏ. Một tủ lạnh pha loãng có giá hàng triệu đô và tiêu tốn hàng kilowatt điện chỉ để duy trì vài milikelvin.
Nếu có thể vận hành ở 1–2 K, hệ thống làm lạnh sẽ nhỏ hơn, rẻ hơn, ít tiêu hao hơn – tương tự công nghệ cryogenic trong các cảm biến hồng ngoại hay thiết bị không gian.
2. Mở đường cho quy mô lớn
Mỗi qubit cần dây nối, bộ khuếch đại và cổng điều khiển riêng – tất cả đều sinh nhiệt. Khi số qubit tăng lên hàng nghìn, việc tản nhiệt ở mức milikelvin là gần như không thể.
Hoạt động ở 1 K cho phép tăng số qubit lên hàng nghìn mà không gây quá tải nhiệt, mở ra cơ hội xây dựng bộ xử lý lượng tử thực tế hơn.
3. Dễ tích hợp với công nghệ hiện có
Ở mức 1–2 K, ta có thể sử dụng các linh kiện điện tử cryo truyền thống – chẳng hạn như transistor bán dẫn đặc biệt – ngay bên cạnh qubit, giúp rút ngắn đường truyền tín hiệu và giảm nhiễu.
🧠 So sánh với các nền tảng lượng tử khác
| Nền tảng qubit | Môi trường hoạt động | Ưu điểm | Nhược điểm |
|---|---|---|---|
| Siêu dẫn (Superconducting) | ~10–20 mK | Dễ chế tạo, tốc độ cao | Cần cực lạnh, dễ mất pha |
| Ion bẫy (Trapped ion) | Chân không, ~0.01 K | Độ chính xác cao | Hệ laser phức tạp, khó mở rộng |
| Spin trong silicon | ~100 mK | Ổn định, tích hợp tốt | Chế tạo khó, cần tạp chất tinh khiết |
| Photon lượng tử | Nhiệt độ phòng | Không cần làm lạnh | Khó lưu trữ, dễ mất đồng bộ |
| Electron-on-helium (EeroQ) | 1–2 K | Môi trường siêu sạch, dễ mở rộng | Kỹ thuật mới, cần ổn định helium |
Nhìn vào bảng này, ta thấy electron-on-helium nằm ở giữa – giữ được độ tinh khiết lượng tử cao nhưng nhiệt độ vận hành “thân thiện” hơn nhiều.
🔬 Bên trong thế giới vi mô của electron-on-helium
Trạng thái năng lượng của electron
Electron bị giữ lại trên bề mặt heli bởi một thế năng dạng “bẫy” – có thể hình dung như một giếng năng lượng.
- Mức năng lượng cơ bản tương ứng với qubit “0”.
- Mức kích thích tương ứng với qubit “1”.
Bằng cách điều khiển điện áp hoặc trường vi sóng, ta có thể “đưa electron nhảy” giữa hai mức này – chính là thao tác qubit.
Spin của electron – ứng viên qubit siêu bền
Ngoài trạng thái năng lượng, spin (hướng quay nội tại) của electron cũng là một lựa chọn tuyệt vời cho qubit, vì nó ít bị ảnh hưởng bởi môi trường. Spin có thể được điều khiển bằng trường từ vi mô hoặc bức xạ vi sóng.
EeroQ đang hướng tới việc kết hợp cả hai cách mã hóa (năng lượng và spin) để tạo ra qubit kép – vừa nhanh, vừa ổn định.
💬 Tiếng nói từ EeroQ
Giáo sư Johannes Pollanen, đồng sáng lập kiêm Giám đốc Khoa học của EeroQ, chia sẻ:
“Bước đột phá này chứng minh rằng qubit electron-on-heli có thể được thao tác và đọc ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với trước đây, qua đó giảm bớt rào cản quan trọng đối với khả năng mở rộng điện toán lượng tử.”
Ông nhấn mạnh thêm rằng mục tiêu của EeroQ không chỉ là chứng minh một khái niệm vật lý, mà là xây dựng một nền tảng có thể thương mại hóa. Việc tương thích với mạch siêu dẫn hiện có giúp công ty rút ngắn đáng kể thời gian chuyển từ phòng thí nghiệm sang sản phẩm thực tế.
🏗️ Từ phòng thí nghiệm đến ứng dụng thực tế
1. Mô hình chip lượng tử lai
EeroQ hướng tới thiết kế chip lai (hybrid chip) – nơi mạch vi sóng siêu dẫn điều khiển các electron-on-heli qubit, và các bộ khuếch đại cryogenic đặt ngay bên cạnh để đọc tín hiệu. Cấu trúc này tương thích với quy trình chế tạo chip lượng tử hiện tại, giúp rút ngắn hành trình thương mại hóa.
2. Ứng dụng tiềm năng
Nếu thành công, công nghệ của EeroQ có thể trở thành nền tảng cho:
- Máy tính lượng tử quy mô lớn: hàng nghìn qubit hoạt động ổn định ở 1 K.
- Cảm biến lượng tử (quantum sensors): phát hiện tín hiệu yếu như sóng hấp dẫn hay từ trường cực nhỏ.
- Mô phỏng lượng tử (quantum simulation): nghiên cứu vật chất phức tạp ở mức nguyên tử.
3. Kinh tế lượng tử “ấm” hơn
Chi phí vận hành thấp hơn đồng nghĩa với điện toán lượng tử có thể tiếp cận hơn – không chỉ giới hạn ở các phòng thí nghiệm quốc gia, mà cả trong các trung tâm dữ liệu thương mại.
🌠 Khi thế giới lượng tử dần trở nên “thân thiện”
Khi công nghệ lượng tử ra đời, nhiều người nghĩ đó là thứ chỉ tồn tại trong phòng thí nghiệm hàn băng, xa rời thực tế. Nhưng giờ đây, với bước tiến của EeroQ, chúng ta đang tiến gần hơn đến những máy tính lượng tử có thể hoạt động trong điều kiện “đời thường” hơn.
Một tương lai có thể tưởng tượng được:
- Các trung tâm dữ liệu tích hợp module lượng tử “ấm áp” bên cạnh máy chủ cổ điển.
- Các công ty công nghệ có thể thuê sức mạnh lượng tử trên nền tảng đám mây mà không cần hệ thống lạnh cồng kềnh.
- Và thậm chí, các thiết bị điện tử trong tương lai có thể sử dụng nguyên lý lượng tử ở quy mô vi mô mà không cần nhiệt độ khắc nghiệt.
🧭 Kết luận – Một bước nhỏ cho electron, một bước lớn cho lượng tử
Phát hiện của EeroQ đánh dấu một bước chuyển mình trong công nghệ lượng tử: từ kỷ nguyên “đông lạnh tuyệt đối” sang thời đại lượng tử khả dụng và mở rộng được.
Việc chứng minh khả năng giữ và điều khiển electron đơn lẻ trên heli siêu lỏng ở nhiệt độ trên 1 Kelvin không chỉ là một thành công về mặt vật lý, mà còn mở ra lộ trình thực tế hóa máy tính lượng tử – điều mà nhiều người từng cho là xa vời.
Heli siêu lỏng, electron và mạch siêu dẫn – ba thành phần tưởng chừng đơn giản – giờ đây đang kết hợp để viết lại tương lai của điện toán. Có lẽ trong không lâu nữa, khi nhắc đến “máy tính lượng tử”, chúng ta sẽ không còn nghĩ tới những cỗ máy ngủ đông trong tủ lạnh nữa, mà là những bộ xử lý lượng tử năng động, ổn định và ấm áp – khởi đầu từ một electron nhỏ bé đang trôi trên mặt hồ heli lặng lẽ.
