Các nhà nghiên cứu tại Đại học Hồng Kông (HKU) đã phát triển một loại phần cứng điện tử mô phỏng não bộ (neuromorphic hardware) mới có khả năng hoạt động ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối. Thành tựu này có thể giúp giải quyết một trong những thách thức lớn nhất của máy tính lượng tử, đồng thời mở ra những hướng đi mới cho các sứ mệnh thám hiểm không gian sâu trong tương lai.

Nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà khoa học thuộc Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính, Khoa Kỹ thuật và Trung tâm Chất bán dẫn tiên tiến và Mạch tích hợp (CASIC) của Đại học Hồng Kông.

Nền tảng điện toán thần kinh có thể lập trình mà nhóm phát triển được có khả năng hoạt động ổn định trong môi trường cực lạnh và hứa hẹn trở thành một giải pháp thực tế giúp mở rộng quy mô của các hệ thống máy tính lượng tử.

Điện toán mô phỏng não bộ ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối

Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Yuhao Zhang và nghiên cứu sinh tiến sĩ Xin Yang dẫn đầu đã tìm ra một phương pháp mới để tạo ra và điều khiển hiện tượng điện trở vi sai âm (Negative Differential Resistance – NDR) trong các transistor MOSFET silicon carbide (SiC) theo tiêu chuẩn công nghiệp.

Bằng phương pháp này, lần đầu tiên các nhà khoa học chứng minh rằng chỉ một transistor duy nhất cũng có thể tái tạo được hoạt động phát xung thần kinh (spiking) tiết kiệm năng lượng – đặc trưng của các nơron sinh học – ở nhiệt độ chỉ khoảng 10 miliKelvin (10 mK), tức gần sát độ không tuyệt đối.

Đây là một bước tiến quan trọng bởi các máy tính lượng tử chỉ có thể hoạt động trong môi trường cực lạnh.

Các qubit – đơn vị thông tin cơ bản của máy tính lượng tử – rất nhạy cảm với nhiệt và phải được duy trì ở nhiệt độ chỉ vài miliKelvin.

Tuy nhiên, các hệ thống điện tử dùng để điều khiển qubit hiện nay lại tiêu thụ khá nhiều điện năng và tỏa nhiệt đáng kể.

Chính vì vậy, các bộ điều khiển dựa trên chip silicon hiện nay buộc phải đặt cách xa các qubit nhằm tránh làm nóng chúng. Điều này dẫn đến mạng lưới dây dẫn rất phức tạp, làm giảm hiệu suất của hệ thống và gây khó khăn cho việc mở rộng quy mô máy tính lượng tử.

Silicon carbide bộc lộ những đặc tính đặc biệt ở nhiệt độ siêu thấp

Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng các transistor SiC MOSFET có hành vi hoàn toàn khác khi được làm lạnh xuống dưới 2 Kelvin (2 K).

Trong điều kiện này, linh kiện xuất hiện một hiện tượng điện trở vi sai âm dạng chữ S (S-shaped NDR) rất rõ rệt, được tạo ra bởi cơ chế ion hóa va chạm của electron từ các nguyên tử cho điện tử (Electron-Donor Impact Ionization – EDII).

Khác với nhiều công nghệ khác vốn phụ thuộc vào các quá trình liên quan đến nhiệt, hiệu ứng này xuất phát trực tiếp từ cấu trúc nguyên tử của vật liệu.

Theo nhóm nghiên cứu, điều đó giúp đặc tính của linh kiện rất ổn định và có thể được tái tạo một cách nhất quán giữa các lô sản xuất khác nhau.

Hướng tới những hệ thống lượng tử lớn hơn và các sứ mệnh không gian sâu

Nghiên cứu cũng cho thấy các nơron nhân tạo này có thể được kết nối theo tầng (cascade) để tạo thành những mạng lưới thần kinh lớn hơn.

Khả năng này sẽ cho phép thực hiện các tác vụ xử lý dữ liệu cục bộ ngay trong môi trường siêu lạnh, qua đó cải thiện những chức năng quan trọng như hiệu chỉnh lỗi lượng tử (quantum error correction) và điều khiển lượng tử theo thời gian thực.

Tiềm năng ứng dụng của công nghệ này không chỉ giới hạn ở lĩnh vực máy tính lượng tử.

Do các mạch điện có thể hoạt động ổn định trong điều kiện nhiệt độ cực thấp, chúng cũng rất phù hợp cho thám hiểm không gian sâu.

Trong tương lai, các tàu vũ trụ và thiết bị khoa học sẽ phải vận hành trong những môi trường lạnh giá như bề mặt Mặt Trăng hoặc những vùng rất xa của Hệ Mặt Trời. Những phần cứng điện tử mô phỏng não bộ có khả năng chịu lạnh như vậy có thể trở thành nền tảng quan trọng cho các hệ thống xử lý thông minh hoạt động trong những điều kiện khắc nghiệt này.