Vật liệu 'siêu rắn' giúp làm mát máy tính lượng tử

Các nhà khoa học Trung Quốc đã tìm thấy loại vật liệu mới có thể tạo ra nhiệt độ cực thấp, cần thiết cho các ứng dụng công nghệ cao như điện toán lượng tử.

Phát hiện này có thể trở thành bước đột phá cho Trung Quốc, quốc gia vốn phụ thuộc vào việc nhập khẩu khí helium (được dùng để làm mát các ứng dụng công nghệ cao) từ các quốc gia khác, bao gồm Mỹ.

Trong bối cảnh cạnh tranh công nghệ Mỹ - Trung nóng lên, Washington đã thắt chặt nhiều quy định để hạn chế Bắc Kinh tiếp cận các công nghệ đặc biệt của Mỹ, bao gồm tủ lạnh pha loãng cần thiết để tạo ra một môi trường cực lạnh.

Helium lỏng - thông qua công nghệ đông lạnh - đã được sử dụng cho mục đích làm mát trong gần 100 năm qua. Dù vậy, đây là một nguồn tài nguyên khan hiếm và có thể cạn kiệt bất cứ lúc nào. Trong khi đó, nhu cầu sử dụng chất làm mát trong các ngành công nghệ cao không ngừng tăng lên.

Điều này đặc biệt đúng với helium-3, loại đồng vị hiếm có tác dụng làm mát hiệu quả hơn trong điều kiện khắc nghiệt và chủ yếu được thu hồi từ đầu đạn hạt nhân đã cũ.

Do nhu cầu tìm giải pháp thay thế vật liệu làm mát từ khí helium, nhóm nghiên cứu quốc tế - dẫn đầu bởi các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc ở Bắc Kinh - đã nghiên cứu và phát hiện một loại vật liệu “siêu rắn” có thể đáp ứng nhu cầu này. Chất này mang các đặc tính rắn và lỏng, là chất làm mát thay thế tiềm năng.

Sau quá trình thí nghiệm, các chuyên gia phát hiện một vật liệu từ tính lượng tử gốc coban gọi là "siêu rắn", nghĩa là nó có cấu trúc rắn nhưng cũng hoạt động giống như chất lỏng.

Vật liệu siêu rắn đã thành công làm lạnh xuống dưới 1 Kelvin, cho thấy khả năng đạt được nhiệt độ cực thấp.

Trong vật lý, nhiệt độ cực thấp dao động trong khoảng 0 - 4,2 Kelvin. Mức độ lạnh này được đánh giá vô cùng trong trọng đối với các công nghệ tiên tiến như máy tính lượng tử. Về lý thuyết, nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được trong vật lý là độ 0 tuyệt đối, hay 0 Kelvin (tương đương -273 độ C).

Giáo sư Sun Peijie từ Phòng thí nghiệm Vật lý Vật chất Ngưng tụ Quốc gia Bắc Kinh và là đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Đó thực sự là bước đột phá”.

Ông Sun cho biết thêm những năm gần đây, các nhà khoa học mới phát hiện tiềm năng sử dụng trạng thái siêu rắn để đạt được nhiệt độ cực lạnh.

“Nghiên cứu này cho thấy chúng ta có thể làm lạnh xuống nhiệt độ cực thấp mà không cần tới helium”, ông giải thích.

Sự thiếu hụt helium, đặc biệt là helium-3, là thách thức đối với Trung Quốc trong cuộc đua phát triển công nghệ lượng tử. Năm 2022, 94% lượng helium Trung Quốc sử dụng đến từ các nguồn nhập khẩu phần lớn từ Qatar, Mỹ và Australia.

Theo giáo sư Sun, Trung Quốc hoàn toàn không có helium-3 và hầu như luôn phụ thuộc vào Nga và Mỹ về chất đồng vị này.

Tuy nhiên, ông Sun lưu ý vật liệu mới này chưa thể thay thế hoàn toàn helium khi đang ở giai đoạn đầu nghiên cứu và vẫn còn nhiều hạn chế. Cụ thể, vật liệu này hiện chỉ hiệu quả khi được sử dụng trong môi trường nhiệt độ khoảng 4 Kelvin (-269,15 độ C).

Hầu hết các máy lượng tử, từ máy tính đến vệ tinh, đều sử dụng các đơn vị thông tin cơ bản gọi là qubit hoặc bit lượng tử - giống như các bit kỹ thuật số được sử dụng trong điện toán thông thường. Nhưng qubit rất nhạy cảm và dễ bị nhiễu bởi nhiệt độ nên chúng phải được giữ ở nhiệt độ cực lạnh gần 0 Kelvin.

“Tất cả các công nghệ lượng tử, bao gồm truyền thông lượng tử và điện toán lượng tử, hầu như luôn cần tới một môi trường cực lạnh”, ông Sun nói.

Nhà khoa học cho biết việc tạo ra môi trường đó chỉ có thể được thực hiện bằng tủ lạnh pha loãng - một thiết bị mà Trung Quốc gặp khó khăn hơn khi nhập từ nước ngoài trong những năm gần đây. Ông nói điều đó đã “cản trở nghiêm trọng sự phát triển công nghệ lượng tử của Trung Quốc”.

Phát triển công nghệ lượng tử là một trong những ưu tiên hàng đầu của Bắc Kinh. Quốc gia này cũng đã đầu tư tương đối lớn vào ngành công nghiệp này. Theo đó, vào tháng 10/2023, Trung Quốc đã có bước đột phá về khả năng làm lạnh của các hệ thống lượng tử khi Công ty Origin Quantum xuất xưởng tủ lạnh pha loãng phát triển độc lập.

Nói thêm về phát hiện mới, ông Sun cho biết nhóm đã phát triển các thiết bị để tái tạo và áp dụng các thí nghiệm của họ trong một số môi trường nhất định. Dù vậy, vẫn cần nghiên cứu thêm trước khi công nghệ này có thể được ứng dụng.

Ông cho rằng nghiên cứu này cũng có thể là điểm khởi đầu cho những cuộc thảo luận và nghiên cứu sâu hơn về vật lý cơ bản.

“Trong nửa thế kỷ, người ta đã tin vào một loại vật liệu siêu rắn tồn tại và bây giờ chúng tôi đang chứng minh điều đó. Các nhà khoa học có thể được truyền cảm hứng để tìm kiếm bằng chứng mới từ các vật liệu khác, và điều này sẽ thúc đẩy vật lý phát triển”, ông Sun cho hay.