COLOMODE, một dòng nguyên mẫu chung cho các thiết bị thế hệ tiếp theo như qubit silicon, được thành lập bởi Viện Khoa học Công nghiệp và Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia (Ảnh: AIST)
Máy tính lượng tử, được cho là sẽ được ứng dụng để phát triển vật liệu mới và nghiên cứu khám phá thuốc, đang thúc đẩy sự phát triển của các phương pháp mới. Nhật Bản là một trong những quốc gia hàng đầu thế giới về nghiên cứu chế tạo các phần tử cơ bản cho tính toán lượng tử bằng công nghệ bán dẫn. So với các phương pháp khác sử dụng chất siêu dẫn hoặc ion (nguyên tử tích điện), việc thu nhỏ và tích hợp dễ dàng hơn, và có thể áp dụng cho các phép tính phức tạp và khó khăn. Nhật Bản đang tụt hậu so với các nước phương Tây về công nghệ lượng tử, nhưng nước này đang cố gắng bắt kịp bằng cách tận dụng thế mạnh của mình trong công nghệ sản xuất chất bán dẫn.
Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm, cạnh tranh nhau để sử dụng trong thực tế
"Phương pháp silicon", áp dụng công nghệ tích hợp chất bán dẫn vào máy tính lượng tử, được kỳ vọng là một công nghệ tương lai đầy hứa hẹn.
Máy tính lượng tử kiểu cổng có thể được sử dụng cho các tính toán phức tạp bao gồm nhiều phương pháp khác nhau, chẳng hạn như "phương pháp siêu dẫn" và "phương pháp bẫy ion" đang được phát triển. Mặc dù rất khó để kiểm soát các "qubit" thực hiện tính toán lượng tử trong phương pháp silicon, nhưng một khi công nghệ này được thành lập, sẽ có thể tích hợp một số lượng lớn các phần tử trên một con chip như chất bán dẫn và nó có thể được sử dụng rộng rãi. -cale hoạt động thực tế.
Máy tính lượng tử với các qubit quy mô lớn có thể nhanh chóng xử lý các hoạt động phức tạp mà các máy tính thông thường không giỏi. Nó dự kiến sẽ được áp dụng để tổng hợp hóa học trong các lĩnh vực vật liệu và phát hiện thuốc, quản lý rủi ro trong lĩnh vực tài chính và bảo hiểm, và phân tích mật mã trong lĩnh vực bảo mật. Mặt khác, rất khó để tăng số lượng qubit và kiểm soát chúng một cách chính xác, và không có phương pháp nào nằm ngoài nghiên cứu.
Các bit lượng tử dễ bị sai số do nhiễu và sai số (lỗi lượng tử), và việc nghiên cứu các cấu trúc có thể giảm nhiễu và sai số đã trở thành một chủ đề quan trọng. Viện Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia Nhật Bản (AIST) và RIKEN (Riken) đang phát triển các kỹ thuật để giảm nhiễu và sai số lượng tử trong qubit silicon.
Theo một giáo sư tại một trường đại học Nhật Bản, trong quá trình phát triển qubit quy mô nhỏ, `` RIKEN đang dẫn đầu thế giới '' và có khả năng giúp thiết lập một cấu trúc cơ bản trong tương lai.
Thành tựu `` Silicon qubit '' của AIST và RIKEN
AIST có thành tích nghiên cứu sự phát triển của các qubit silicon từ rất sớm và có tính cạnh tranh cao trong việc tạo mẫu các cấu trúc cơ bản và phát triển công nghệ mô phỏng. Vào năm 2021, bằng cách áp dụng công nghệ sản xuất chất bán dẫn, chúng tôi đã tạo ra qubit silicon đầu tiên ở Nhật Bản sử dụng cấu trúc ba chiều gọi là FinFET và cũng thiết kế cấu trúc tích hợp đầu tiên trên thế giới có tính đến các biến thể.
AIST đã thiết lập một dây chuyền sản xuất nguyên mẫu chung "COLOMODE" để tạo mẫu cho các thiết bị thế hệ tiếp theo như qubit silicon tại cơ sở của mình ở thành phố Tsukuba, tỉnh Ibaraki và vào tháng 7 năm 2010 đã thiết lập một hệ thống nghiên cứu chung với các tổ chức bên ngoài.
Cấu trúc cơ bản của qubit silicon do AIST tạo mẫu. Hình dưới đây là một hình cắt ngang sơ đồ của cấu trúc cơ bản. Qubit đầu tiên của Nhật Bản được chế tạo với cấu trúc FinFET (Ảnh: AIST)
Các qubit silicon đòi hỏi công nghệ để hình thành đồng nhất các phần tử mịn theo thứ tự nanomet (nano là một phần tỷ mét) và công nghệ thiết kế để triệt tiêu tiếng ồn. Vật liệu và bí quyết sản xuất cũng quan trọng như chất bán dẫn tương tự. Takahiro Mori, nhà nghiên cứu cấp cao tại Viện Nghiên cứu Công nghệ Thiết bị tại AIST, cho biết “Đây là lĩnh vực mà Nhật Bản có thể thể hiện thế mạnh của mình, nhưng các công ty và viện nghiên cứu trên thế giới mới chỉ ở điểm xuất phát”.
Sự phát triển công nghệ trong lĩnh vực bán dẫn, chẳng hạn như sự xuất hiện của "thiết bị tiếp xúc với tia cực tím EUV" có thể tạo thành các mạch tốt, cũng là một cơn gió lốc. Nó là một cơ chế hình thành một vùng nhỏ (chấm lượng tử) khoảng 10 nanomet và sử dụng các electron bị giam giữ ở đó để thực hiện các phép tính. Intel được cho là đang phát triển các bit lượng tử bằng cách sử dụng dây chuyền sản xuất chất bán dẫn hiện có.
RIKEN sẽ tiến hành các thí nghiệm để kiểm soát lỗi trong qubit silicon. Vào tháng 8 năm 2010, Seigo Tarucha, Giám đốc Nhóm Nghiên cứu Hệ thống Chức năng Lượng tử và Kenta Takeda, một nhà nghiên cứu, đang phát triển công nghệ có thể sửa lỗi bằng các bit lượng tử.
Trong nghiên cứu của mình, ông đang phát triển một bit lượng tử giới hạn ba electron trên silicon bằng công nghệ chế tạo vi bán dẫn. Nếu công nghệ này được hiện thực hóa, người ta sẽ có thể kiểm soát nhiều qubit và sử dụng chúng để tính toán chính xác.
Một hình ảnh hiển vi điện tử (bên trái) và một sơ đồ mặt cắt ngang của một qubit do ông Tarucha và các đồng nghiệp của ông tại RIKEN chế tạo. Các vòng tròn màu đỏ, xanh lục và xanh lam biểu thị các electron trong các chấm lượng tử (Ảnh: RIKEN)
Ông Tarucha có kế hoạch tăng số lượng qubit trong tương lai, đặt mục tiêu tăng số lượng lên 100 qubit trong vòng 3 đến 5 năm và hiện thực hóa 1000 qubit trong khoảng 8 đến 10 năm. Bằng cách tăng số lượng qubit đến một mức độ nhất định, người ta mong đợi rằng mỗi đơn vị có thể được liên kết để tạo ra một máy tính lượng tử có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.
Hitachi dự đoán tương lai "phát triển từ trên xuống"
Mặt khác, trước tiên, Hitachi sẽ chế tạo một số lượng lớn các chấm lượng tử và mạch ngoại vi, đồng thời tiến hành "nghiên cứu từ trên xuống", trong đó việc thiết kế các máy tính lượng tử trong tương lai sẽ được xem xét từ giai đoạn đầu. Hitachi sẽ sản xuất một thiết bị có 128 chấm lượng tử vào tháng 9 năm 2021 và đang nghiên cứu công nghệ sản xuất, điều khiển kỹ thuật số, thuật toán, v.v.
Sự phát triển của máy tính lượng tử kiểu cổng không chỉ đòi hỏi sự phát triển của phần cứng như mảng chấm lượng tử, mạch điều khiển và mạch đọc, mà còn cần một loạt các công nghệ như thuật toán và hệ thống điều khiển và vận hành chúng. Điều tra các yếu tố đó và giải quyết vấn đề trước thời hạn.
Một bức ảnh về mảng chấm lượng tử do Hitachi chế tạo (trái) và một bức ảnh về cấu trúc của nó. Mục đích là để xác định trước các vấn đề bằng cách tạo ra toàn bộ hệ thống giả định sử dụng thực tế (Ảnh: Hitachi, Ltd.)
Hiroyuki Mizuno, Nhà nghiên cứu chính của Trung tâm Nghiên cứu Cơ bản của Nhóm Nghiên cứu và Phát triển, người tham gia phát triển máy tính lượng tử tại Hitachi, giải thích rằng các máy tính cổ điển nói chung phát triển với tốc độ nhanh chóng bằng cách sử dụng bóng bán dẫn CMOS (chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung) thay vì ống chân không. Lấy ví dụ này, ông kỳ vọng rằng "Ngay cả với máy tính lượng tử silicon, vẫn có khả năng công nghệ sẽ phát triển đồng thời thông qua tích hợp."
Ông Mizuno cũng phụ trách dự án phát triển máy tính lượng tử silicon tích hợp quy mô lớn trong khuôn khổ dự án "Moonshot Research and Development Project" của Văn phòng Nội các. Người ta nói rằng sẽ mất đến khoảng năm 1950 để phát triển một máy tính lượng tử có mục đích chung có thể được sử dụng cho các phép tính phức tạp, nhưng Mizuno nói, "Có thể có một cách để sử dụng tốt một máy tính lượng tử quy mô trung bình ngay cả khi có là lỗi (chẳng hạn như tiếng ồn). Thêm. Chúng tôi đang thảo luận xem liệu có một mục tiêu xứng đáng ở phía trước của chúng tôi hay không. "
Sự tham gia chính thức của các công ty nước ngoài, Nhật Bản là một nền công nghiệp bó hẹp
Trong quá trình nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử silicon, các công ty liên quan đến chất bán dẫn ở nhiều quốc gia khác nhau đang tập trung nỗ lực. Ngoài việc tạo mẫu một mảng chấm lượng tử áp dụng quy trình FinFET bán dẫn, Intel đã ký liên minh phát triển với Đại học Công nghệ Delft ở Hà Lan và công bố khoản đầu tư 10 tỷ yên trong 10 năm. IBM, công ty có thế mạnh về phương pháp siêu dẫn, cũng đang tiến hành nghiên cứu phương pháp silicon.
Intel và Đại học Công nghệ Delft ở Hà Lan sẽ làm việc cùng nhau trên máy tính lượng tử silicon. Thiết bị bên phải ảnh là tủ lạnh pha loãng (Ảnh: Intel)
Viện nghiên cứu imec của Bỉ và CEA-Leti của Pháp (Phòng thí nghiệm Điện tử và Công nghệ Thông tin thuộc Cơ quan Năng lượng Hạt nhân và Thay thế) đang nghiên cứu phát triển các bit lượng tử áp dụng công nghệ bán dẫn thông thường. Tại Úc, Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Truyền thông và Điện toán Lượng tử (CQC2T) và những người khác đang thúc đẩy nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử.
Ở Mỹ, các công ty khởi nghiệp liên quan đến lượng tử lần lượt được thành lập và có trường hợp huy động được hàng chục tỷ yên từ vốn đầu tư mạo hiểm. Mặc dù Nhật Bản có một số dự án quốc gia đang được triển khai, nhưng vẫn còn lo ngại về tính liên tục của các dự án này so với các công ty nước ngoài có sức mạnh tài chính khổng lồ.
Máy tính lượng tử silicon dự kiến sẽ sử dụng công nghệ liên quan đến chất bán dẫn mà Nhật Bản đã phát triển cho đến nay, và chìa khóa thành công sẽ là làm thế nào để tham gia vào thế giới công nghiệp. Tương lai của máy tính lượng tử ở Nhật Bản sẽ được quyết định bởi liệu họ có thể vẽ ra một lộ trình chiến lược cho các ứng dụng kinh doanh hay không.
