Nhóm nghiên cứu thuộc hai phòng thí nghiệm của Bộ Năng lượng Mỹ hợp tác phát triển dây chuyền sản xuất giúp cung cấp silicon-28 với độ tinh khiết 99,9999%.
Theo Interesting Engineering, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) và Phòng thí nghiệm quốc gia tây bắc Thái Bình Dương (PNNL) của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đã tạo ra phương pháp sản xuất silicon và germanium siêu tinh khiết với lượng đồng vị gây nhiễu chưa đến một phần triệu, sạch hơn 100 lần so với sản phẩm thương mại có sẵn.
Quy trình cũng cung cấp silicon-28 (đồng vị phổ biến nhất của silicon, chiếm khoảng 92,2% lượng silicon tự nhiên) với độ tinh khiết 99,9999%, có thể giúp qubit duy trì trạng thái lượng tử lâu hơn và củng cố chuỗi cung ứng trong nước của Mỹ.
"Bằng cách đạt độ tinh khiết đồng vị chưa từng thấy trên Trái Đất, chúng tôi cung cấp nền tảng cho những máy tính lượng tử ổn định nhất thế giới tại Mỹ. Bước tiến nhỏ này là tia lửa giúp thổi bùng cuộc cách mạng công nghệ tiếp theo", Christopher Landers, Giám đốc Văn phòng nghiên cứu phát triển và sản xuất đồng vị thuộc Bộ Năng lượng Mỹ, nói.
Một trong những trở ngại khi mở rộng máy tính lượng tử là các tín hiệu từ tính nhỏ do nguyên tử bên trong chip tạo ra. Vật liệu silicon và germanium tự nhiên dùng trong công nghệ lượng tử chứa đồng vị gây nhiễu ở cấp nguyên tử, khiến các qubit (bit lượng tử) dễ mất thông tin. Qubit là đơn vị thông tin cơ bản của máy tính lượng tử, có thể tồn tại ở trạng thái 0, 1 hoặc cả hai cùng lúc nhờ hiện tượng chồng chập. Qubit rất nhạy với môi trường xung quanh, ngay cả xáo trộn nhỏ ở cấp nguyên tử cũng có thể làm qubit mất trạng thái lượng tử.
Phần lớn silicon trong tự nhiên là silicon-28, cùng với một lượng nhỏ silicon-29. Tương tự, germanium tự nhiên chứa một số đồng vị, bao gồm germanium-73. Silicon-29 và germanium-73 sở hữu đặc tính lượng tử gọi là spin hạt nhân, khiến chúng hoạt động giống vô số thỏi nam châm vi mô rải rác bên trong vật liệu, liên tục quay và tạo ra dao động từ trường. Tuy dao động từ mỗi hạt nhân rất nhỏ, khi hàng tỷ hạt nhân cùng tạo dao động, chúng hợp thành vùng "nhiễu nền". Sự hỗn loạn từ trường này có thể phá hỏng trạng thái lượng tử mong manh của qubit, dẫn đến máy tính lượng tử bị mất dữ liệu và tính toán sai lệch.
Do đó, việc loại bỏ những đồng vị như vậy có thể cải tiến đáng kể phần cứng lượng tử, nhưng việc sản xuất vật liệu silicon-28 tinh khiết vẫn còn khó khăn về mặt kỹ thuật. Theo Quantum Zeitgeist, dự án của DOE tập trung vào cải thiện nguyên liệu thô dùng cho sản xuất bộ xử lý.
ORNL đang xây dựng Trung tâm nghiên cứu và sản xuất đồng vị ổn định (SIPRC) nhằm tăng cường khả năng làm giàu đồng vị của Mỹ. Ảnh: DOE
Tại ORNL, các nhà khoa học sử dụng phiên bản nâng cao của kỹ thuật Phân tách Đồng vị Điện từ (EMIS) nhằm phân loại nguyên tử theo khối lượng của chúng. Công nghệ nâng cấp có thể tách riêng nhiều đồng vị trong một lần sản xuất duy nhất, đồng thời đạt hiệu suất làm giàu silicon vượt trội. Từ vật liệu thương mại có sẵn, ORNL cho biết có thể loại bỏ gần như toàn bộ silicon-29 và germanium-73, đẩy tỷ lệ của chúng xuống dưới một phần triệu, đặc biệt silicon-28 thu được có độ tinh khiết 99,9999%.
Vật liệu đã làm giàu sau đó được chuyển đến PNNL. Theo Mike Powell, thành viên nhóm nghiên cứu ở PNNL, đồng vị độ tinh khiết cao có thể dễ dàng bị ô nhiễm trong quá trình biến đổi thành hóa chất công nghiệp dùng trong sản xuất chip. Để ngăn điều đó, PNNL phát triển hệ thống biến đổi hóa học và tinh chế mới có khả năng chuyển silicon và germanium đã làm giàu thành silane (SiH₄) và germane (GeH₄) siêu tinh khiết. Đây là những khí sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn để lắng đọng các lớp silicon và germanium cực mỏng trên chip tiên tiến, bao gồm thiết bị lượng tử.
Phòng thí nghiệm cũng hiện đại hóa phân tách đồng vị khuếch tán nhiệt (TDIS), cho phép các khí tự chúng được làm giàu trực tiếp. Bước bổ sung này giảm thiểu nguy cơ pha loãng đồng vị có thể xảy ra trong quá trình xử lý thông thường. Vì silane và germane là khí nguy hiểm, nhóm nghiên cứu cũng xây dựng hệ thống điều khiển tự động liên tục giám sát hàng trăm điều kiện hoạt động, giúp duy trì an toàn và độ tinh khiết hóa học cực cao trong suốt quá trình sản xuất.
Dây chuyền sản xuất mới kết hợp phương pháp làm giàu đồng vị của ORNL với hệ thống biến đổi hóa học của PNNL, tạo ra nguồn cung cấp vật liệu bán dẫn cho công nghệ lượng tử tương lai. Phương pháp làm giàu tương tự cũng có thể sản xuất nhiều đồng vị liên quan đến công nghệ lượng tử khác như germanium-70, germanium-76 và ytterbium-171.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn cần chứng minh vật liệu siêu tinh khiết có thể liên tục cải thiện thiết bị lượng tử thương mại. Theo DOE, trong tương lai, họ sẽ tập trung vào đơn giản hóa sản xuất, giảm rủi ro ô nhiễm và tăng cường cung cấp vật liệu.
An Khang tổng hợp
