Một phòng thí nghiệm bán dẫn do nhà nước tài trợ tại Trung Quốc cho biết đã đạt được một "cột mốc" trong quá trình phát triển quang tử silicon, có thể giúp nước này vượt qua các rào cản kỹ thuật hiện tại trong thiết kế chip và đạt được khả năng tự cung tự cấp giữa lệnh trừng phạt từ Mỹ.

Phòng thí nghiệm JFS (có trụ sở tại Vũ Hán, thủ phủ tỉnh Hồ Bắc) là cơ sở nghiên cứu quang tử học quốc gia, đã có thể thắp sáng nguồn sáng laser tích hợp với một chip silicon. Lần đầu tiên điều này được thực hiện thành công ở Trung Quốc, theo một bài đăng trên blog được công bố bởi Phòng thí nghiệm JFS.

Thành tựu này có nghĩa là Trung Quốc đã lấp đầy "một trong số ít chỗ trống" trong công nghệ quang điện tử của mình, tờ Nhân dân Nhật báo đưa tin.

Quang tử silicon dựa vào tín hiệu quang học thay vì tín hiệu điện để truyền dẫn. Phòng thí nghiệm JFS cho biết mục đích của họ là giải quyết những hạn chế do công nghệ hiện tại áp đặt, vì việc truyền tín hiệu điện giữa các chip đang tiến gần đến giới hạn vật lý của nó.

Được thành lập vào năm 2021 với 8,2 tỉ nhân dân tệ (1,2 tỉ USD) tiền tài trợ của chính phủ, JFS là một trong những tổ chức quan trọng ở Trung Quốc có nhiệm vụ theo đuổi các đột phá về công nghệ.

Các công ty lớn trong ngành công nghiệp bán dẫn toàn cầu đã dành nguồn lực để phát triển quang tử silicon, được cho là sẽ nắm giữ tương lai để tạo ra n chip tốt hơn cho xử lý dữ liệu và đồ họa, cũng như trí tuệ nhân tạo (AI). Tuy nhiên, các doanh nghiệp vẫn phải đối mặt với những thách thức trong việc chuyển đổi các đột phá khoa học thành sản phẩm thương mại.

TSMC (hãng sản xuất chip theo hợp đồng hàng đầu thế giới) là một trong những công ty đang nghiên cứu công nghệ này. Douglas Yu Chen-hua, Phó chủ tịch TSMC, năm ngoái nói rằng một "hệ thống tích hợp quang tử silicon tốt" có thể giải quyết các vấn đề quan trọng về hiệu suất năng lượng và sức mạnh tính toán trong kỷ nguyên AI. Ông cho biết sự phát triển đó sẽ mang lại "thay đổi mô hình" trong ngành.

Nvidia và Intel (hai hãng thiết kế chip lớn của Mỹ) cũng như Huawei (Trung Quốc) đang để mắt đến những tiến bộ trong quang tử silicon. Theo ước tính của Hiệp hội công nghiệp bán dẫn quốc tế SEMI, thị trường chip quang tử silicon toàn cầu dự kiến ​​sẽ đạt 7,86 tỉ USD vào năm 2030, tăng từ 1,26 tỉ USD trong năm 2022.

Quang tử học silicon có thể tạo ra cơ hội thậm chí còn lớn hơn ở Trung Quốc, nơi các biện pháp kiểm soát xuất khẩu từ Mỹ với các công nghệ sản xuất chip tiên tiến đã cản trở sự phát triển các chất bán dẫn truyền thống.

Chip quang tử silicon có thể được sản xuất trong nước bằng "nguyên liệu thô và thiết bị tương đối hoàn thiện" mà không cần dựa vào máy quang khắc cực tím (EUV) cao cấp, không giống chip điện, theo Sui Jun - Chủ tịch công ty khởi nghiệp bán dẫn Sintone (có trụ sở tại Bắc Kinh).

Máy EUV cần thiết để sản xuất chip tiên tiến, được coi là gót chân Achilles của ngành công nghiệp bán dẫn Trung Quốc, vì các công ty trong nước đang gặp khó khăn để sản xuất hàng loạt công cụ như vậy. ASML (có trụ sở tại Hà Lan) gần như độc quyền sản xuất các máy EUV nhưng đã ngừng xuất khẩu thiết bị này sang Trung Quốc từ năm 2019.

Theo báo cáo do Trung tâm nghiên cứu chiến lược và quốc tế (CSIS) của Mỹ công bố vào tháng 1, quang tử silicon có thể trở thành "mặt trận mới trong cuộc cạnh tranh công nghệ giữa Mỹ và Trung Quốc".

Matthew Reynolds, cựu nghiên cứu viên chương trình kinh tế tại CSIS, viết trong báo cáo rằng: "Trong khi các biện pháp kiểm soát xuất khẩu do Mỹ dẫn đầu có thể sẽ kìm hãm năng lực sản xuất chip truyền thống của Trung Quốc, chúng cũng có thể vô tình khuyến khích Trung Quốc dành nhiều nguồn lực hơn cho các công nghệ mới nổi sẽ đóng vai trò quan trọng ở những chất bán dẫn thế hệ tiếp theo".

Bước đột phá trong chế tạo chip lượng tử với nguồn sáng mới

Hồi tháng 4, các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã tiến một bước gần hơn đến việc chế tạo chip lượng tử bằng việc sử dụng chất bán dẫn thông thường đầu tiên trên thế giới để tạo ra nguồn sáng lượng tử.

Chip lượng tử có khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp nhanh hơn theo cấp số nhân so với tính toán thông thường dựa trên điện tử, nhưng các nhà khoa học phải vật lộn để chế tạo các thành phần cần thiết cho một mạch tích hợp.

Một nhóm nghiên cứu ở Trung Quốc cho biết đã tạo ra một trong những thành phần đó là nguồn sáng lượng tử bằng cách sử dụng gallium nitride (GaN) - chất bán dẫn được dùng trong các điốt phát sáng màu xanh nhiều thập kỷ.

Nguồn sáng lượng tử có “tiềm năng đáng chú ý” để chế tạo các chip lượng tử nhỏ và mạnh mẽ, theo nhóm nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Trung Quốc (UETC), Đại học Thanh Hoa cùng Viện Vi hệ thống và Công nghệ thông tin Thượng Hải.

Nguồn sáng này tạo ra các cặp hạt ánh sáng lượng tử mà theo đó có thể được sử dụng để mang thông tin.

So với các nguồn ánh sáng lượng tử hiện có dựa trên vật liệu như silicon nitride và indium phosphide, nguồn sáng lượng tử sử dụng gallium nitride có dải bước sóng rộng hơn nhiều và có thể được sử dụng để chế tạo các thành phần chính khác của mạch lượng tử, nhóm nghiên cứu báo cáo trên tạp chí Physical Review Letters.

“Chúng tôi chứng minh rằng gallium nitride là một nền tảng vật liệu lượng tử tốt cho thông tin quang tử lượng tử, trong đó việc tạo ra ánh sáng lượng tử là rất quan trọng. Nền tảng gallium nitride mang lại triển vọng đầy hứa hẹn cho việc phát triển chip quang tử lượng tử trong tương lai gần”, tác giả chính Zhou Qiang từ UESTC nói.

Chuyên gia quang tử lượng tử Thomas Walther từ Đại học Kỹ thuật Darmstadt (Đức) phát biểu rằng công trình trên là “một bước tiến lớn” vì có thể cắt giảm chi phí chế tạo những hệ thống như vậy, làm cho chúng nhỏ gọn và chắc chắn hơn nhiều so với hiện nay.

Trong thí nghiệm của họ, Zhou Qiang và các đồng nghiệp lần đầu tiên tạo ra một màng mỏng gallium nitride dựa trên lớp sapphire. Sau đó, họ khắc một vòng trong màng có đường kính 120 micromet, cho phép các hạt ánh sáng từ chùm tia laser di chuyển xung quanh vòng.

Khi các nhà nghiên cứu đưa ánh sáng laser hồng ngoại vào màng gallium nitride, một số hạt ánh sáng bị giữ lại và trở nên “cộng hưởng” theo cặp.

Do một hiệu ứng gọi là trộn bốn sóng tự phát, một số cặp cộng hưởng đã tạo ra một cặp hạt ánh sáng mới liên kết với nhau một cách đặc biệt.

Mức độ liên kết do vòng gallium nitride tạo ra “có thể so sánh” với mức độ đo được ở các nguồn sáng lượng tử khác, Zhou Qiang nói.

Phạm vi bước sóng đầu ra cũng mở rộng từ 25,6 nanomet với các vật liệu trước đó lên 100 nanomet trên nguồn sáng lượng tử sử dụng gallium nitride.

“Bằng cách cung cấp nhiều tài nguyên bước sóng hơn, chúng tôi sẽ có thể đáp ứng nhu cầu của nhiều người dùng hơn với mong muốn truy cập vào mạng lượng tử thông qua các bước sóng khác nhau”, Zhou Qiang nói với Nhật báo Khoa học và Công nghệ.

Theo nhóm nghiên cứu, ngoài nguồn ánh sáng lượng tử, gallium nitride còn là vật liệu đầy hứa hẹn để chế tạo các thành phần khác của mạch lượng tử, gồm cả máy dò laser và máy dò hạt ánh sáng.

Họ cho biết: “So với các nền tảng hiện có, nền tảng gallium nitride có triển vọng đáng kể cho việc chế tạo các mạch tích hợp quang tử lượng tử trên chip toàn diện”.

Gallium nitride là một hợp chất hóa học vô cơ, đồng thời là một chất bán dẫn năng lượng. Hợp chất này có thành phần chính gồm hai nguyên tố gali và nitơ, với công thức hóa học được quy định là GaN. Gallium nitride là hợp chất có nhiều ứng dụng, thường sử dụng trong các điốt phát sáng kể từ những năm 1990.

Sơn Vân