Khi transistor không còn chỉ là electron

Từ ngày transistor ra đời, gần như mọi tiến bộ trong tính toán đều gắn với việc điều khiển dòng electron ngày càng nhanh hơn, nhỏ hơn, ít tốn điện hơn. Thế nhưng, trong khi transistor điện tử đã gần chạm ngưỡng vật lý, một “ứng viên” khác luôn lởn vởn ở đường biên: photon – hạt ánh sáng, vốn di chuyển nhanh, ít tổn hao và rất phù hợp để mang thông tin.

Vấn đề ở chỗ: chúng ta cực kỳ giỏi dùng electron để điều khiển electron, nhưng lại gần như chưa có cách hiệu quả để dùng photon điều khiển photon. Đó là lý do vì sao “máy tính quang” đến giờ vẫn chủ yếu là lý thuyết và demo nhỏ lẻ: thiếu một linh kiện hạt nhân tương đương transistor, nhưng dành cho ánh sáng.

Nhóm nghiên cứu tại Purdue University cho rằng họ vừa vượt qua được rào cản đó. Trong một công trình công bố trên Nature Nanotechnology, họ giới thiệu một thiết bị mà họ gọi là “photonic transistor” – một công tắc quang học có thể hoạt động ở cường độ một photon, đồng thời đạt được độ phi tuyến quang học (nonlinearity) mạnh hơn nhiều bậc độ lớn so với các vật liệu tốt nhất trước đây.

Nếu transistor là nền tảng của kỷ nguyên tính toán điện tử, thì thiết bị này có thể là một trong những viên gạch hạ tầng đầu tiên cho kỷ nguyên tính toán bằng ánh sáng.

Bài toán khó: Làm sao để ánh sáng tự điều khiển ánh sáng?

Trong quang học, khái niệm phi tuyến (nonlinearity) là chìa khóa để ánh sáng có thể “tương tác với chính nó”. Ở chế độ tuyến tính, hai chùm sáng đi qua nhau mà… chẳng làm được gì với nhau. Muốn một chùm điều khiển chùm kia, ta cần đến hiệu ứng phi tuyến, mà về cơ bản là việc chiết suất của môi trường thay đổi theo cường độ ánh sáng.

Vấn đề mà Demid Sychev (postdoc, tác giả chính của bài báo) mô tả rất thẳng:

• Vật liệu quang thông thường có hệ số phi tuyến cực kỳ nhỏ.
• Để tạo ra tác động đáng kể giữa hai chùm sáng, phải dùng các chùm rất mạnh, ở mức “vĩ mô”.
• Điều đó khiến các phương pháp này không dùng được ở cấp độ single-photon – một photon lẻ không thể tạo ra hiệu ứng phi tuyến có ý nghĩa.

Đây là nút thắt khiến nhiều ý tưởng về cổng logic quang, transistor quang, công tắc một photon bị bó buộc trong phạm vi thí nghiệm cực lạ và khó triển khai.

Cú ‘twist’ từ thiết bị quá quen: đảo vai trò của SPAD

Lối ra cho bài toán này không đến từ vật liệu kỳ lạ, mà từ một thứ… đã quá quen trong cộng đồng cảm biến lượng tử: single-photon avalanche diode (SPAD) – diode avalanche đơn photon.

Cơ chế vận hành của SPAD:

• Một photon đi vào, tạo ra một electron trong vật liệu bán dẫn.
• Electron đó kích hoạt quá trình avalanche – một chuỗi nhân điện tử, tạo ra tới hàng trăm nghìn đến hàng triệu electron mới.
• Kết quả: tín hiệu lượng tử cực yếu được “cường hóa” lên mức vĩ mô, đủ để các mạch điện tử thông thường đọc được.

Sychev gọi đây là “cầu nối cực kỳ mạnh giữa thế giới lượng tử và thế giới vĩ mô”.

Điểm mới của nhóm Purdue:
Thay vì chỉ dùng SPAD để phát hiện photon, họ tái sử dụng cơ chế avalanche như một “máy khuếch đại phi tuyến”, sao cho:

• Một chùm single-photon (control beam) có thể kích hoạt avalanche,
• Avalanche đó được thiết kế để tác động lên chùm quang khác (probe beam) mạnh hơn,
• Từ đó, một photon có thể bật/tắt hoặc điều chế chùm quang vĩ mô.

Kết quả cuối cùng là một optical switch:

• Đầu vào điều khiển: 1 photon hoặc rất ít photon,
• Đầu ra: chùm quang mạnh hơn có thể bị bật/tắt, thay đổi theo trạng thái của photon điều khiển.

Đây chính là cấu trúc tương tự transistor, nhưng thay vì gate là điện thế, ta dùng photon để điều khiển photon.

Từ ý tưởng đến proof-of-concept bằng linh kiện thương mại

Khi Peigang Chen – nghiên cứu sinh tiến sĩ – gia nhập nhóm của Vladimir Shalaev, anh kể lại rằng mình lập tức cảm thấy ý tưởng của Sychev là “thiên tài”. Nhưng biến nó thành thiết bị vận hành được là câu chuyện dài.

Chiến lược của nhóm:

• Tương lai: tự phát triển SPAD “đặc chế” cho mục tiêu làm công tắc quang.
• Hiện tại: để chứng minh nguyên lý nhanh nhất, họ sử dụng SPAD thương mại, vốn được thiết kế để phát hiện photon đơn chứ không phải điều khiển chùm quang khác.

Sau nhiều thử nghiệm lặp đi lặp lại, nhóm đã:

• Tạo được cấu hình trong đó một photon ở “cổng điều khiển” gây avalanche,
• Avalanche đó làm thay đổi điều kiện mà chùm sáng thăm dò đi qua,
• Về bản chất, nó đóng vai trò như một transistor quang có đầu vào lượng tử, đầu ra vĩ mô.

Điểm quan trọng là, từ góc nhìn đo lường, họ đã thu được:

• Độ phi tuyến (nonlinear refractive index) lớn hơn nhiều bậc độ lớn so với những gì đo được ở các vật liệu phi tuyến tốt nhất hiện nay,
• Ở cường độ gần mức single-photon, chứ không phải chùm laser công suất khủng.

Đó là lý do Purdue có thể mạnh dạn nói: “Chúng tôi đã trình diễn được một phương thức để thực hiện photonic transistor hoạt động ở cường độ single-photon”.

Ba lý do khiến cách tiếp cận này đáng để ngành công nghiệp chú ý

Hàng loạt nhóm nghiên cứu đã thử xây single-photon nonlinearity bằng nhiều con đường: từ atom trong bẫy, qubit siêu dẫn, đến cavity QED siêu tinh khiết. Nhưng chúng thường mắc kẹt trong phạm vi phòng lab chuyên dụng. Purdue thì theo đuổi một con đường khác – vô cùng gần với công nghiệp bán dẫn hiện tại.

1. Chạy được ở nhiệt độ phòng

Đa số giải pháp single-photon nonlinearity trước đây:

• Dựa trên các hệ hai mức (two-level quantum systems) cực nhạy,
• Phải làm việc gần 0 K, dùng helium lỏng và hệ cryostat cồng kềnh,
• Khó mà tưởng tượng đặt cạnh CPU trong data center.

Thiết bị của Purdue:

• Dựa trên công nghệ SPAD bán dẫn – vốn được thiết kế để chạy trong điều kiện bình thường,
• Hoạt động được ở nhiệt độ phòng,
• Thân thiện với môi trường vận hành công nghiệp.

2. Tương thích CMOS – dễ đường vào chip

Một trong những câu nói đáng chú ý của Chen là: “Nó là semiconductor, và có thể luôn được chế tạo on-chip.” Tức là:

• Cấu trúc cốt lõi dựa trên công nghệ bán dẫn quen thuộc,
• Có thể tích hợp với quy trình CMOS vốn đang được dùng cho hàng tỷ chip mỗi năm,
• Tạo cơ hội để photonic transistor sống chung trong cùng một hệ sinh thái chế tạo với:
• • Silicon photonics,
  • Mạch tích hợp quang – điện,
  • Các modulators, photodetectors tích hợp.

Thay vì một hệ lượng tử “ngoại lai” phải xây nhà máy mới, cách làm này dùng luôn nền tảng sẵn có của ngành bán dẫn.

3. Tốc độ: từ GHz đến hàng trăm GHz, mở cửa cho terahertz computing

Hiện tại, thiết bị đã được chứng minh:

• Có thể hoạt động ở thang gigahertz,
• Về mặt nguyên lý, với thiết kế tối ưu, có thể mở rộng tới hàng trăm GHz.

Đặt lên bàn cân:

• CPU tốt nhất ngày nay quanh mức 5 GHz.
• Photonic transistor nếu được xây thành mảng lớn có thể đẩy clock lên thang terahertz – dĩ nhiên còn phụ thuộc vào nhiều tầng kiến trúc, nhưng về phần cứng logic, trần vật lý sẽ cao hơn rất nhiều so với điện tử.

Kết hợp với lợi thế của photon:

• Không mang điện tích ⇒ giảm hao tổn Joule – nhiệt,
• Vận tốc lan truyền cao trong môi trường dẫn sóng quang,
• Có thể xử lý nhiều kênh song song theo tần số (WDM),

cấu trúc như vậy mở ra một hướng đi thực tế cho photonics-based computing mà lâu nay vẫn trầy trật tìm điểm tựa.

Không chỉ cho lượng tử: Photonic transistor còn nhắm thẳng vào cloud, data center, CPU

Single-photon nghe có vẻ “rất lượng tử”, nhưng Sychev nhấn mạnh rằng ứng dụng “cổ điển” mới là mảng có thể bùng nổ. Hiện tại:

• Lý thuyết về máy tính quang đã vẽ ra một viễn cảnh đẹp:
• • Năng lượng/bit thấp,
  • Băng thông khủng,
  • Tốc độ đồng hồ tiềm năng lên tới THz.
• Thực tế lại vướng chỗ: thiếu photonic switch/photon transistor khả thi, vì:
• • Tương tác giữa photon yêu cầu cường độ quang rất lớn,
  • Không phù hợp với chip dày đặc,
  • Khó mở rộng.

Thiết bị của Purdue không giải quyết tất cả, nhưng đụng trúng đúng nút thắt này:

• Nó cho thấy một phương thức để thực hiện switching quang ở thang single-photon,
• Hoạt động được trên nền tảng bán dẫn,
• Có thể nâng cấp thành cấu trúc logic quang – ví dụ: cổng AND, OR, NOT, multiplexers – tất cả bằng ánh sáng.

Trong viễn cảnh trung và dài hạn, công nghệ này có thể len lỏi vào:

• Data center thế hệ mới: giảm năng lượng cho switching/router nội bộ,
• Hệ thống in-package optics: kết nối quang giữa CPU, GPU, accelerator,
• Backbone internet quang: switching trực tiếp các kênh quang với độ trễ thấp và ít tốn điện hơn.

Còn ở biên lượng tử, nó vẫn là “vũ khí hạng nặng”:

• Nâng hiệu quả giao thức teleportation quang,
• Tạo thành phần cơ bản cho cổng logic lượng tử photonic,
• Kết nối các node lượng tử phân tán.

Hậu trường: Bốn năm mày mò trong “vùng trắng của bản đồ”

Lý thuyết nghe rất đẹp, nhưng quá trình thì… không hề.

• Sychev ấp ủ ý tưởng này hơn một năm trước khi Peigang Chen gia nhập nhóm.
• Chen bước vào khi dự án đã “chớm nhen nhóm”, rồi cùng cả nhóm mất thêm ba năm lặp đi lặp lại thử nghiệm.

Anh mô tả đó là: “Một quá trình hoàn toàn mang tính lặp (iterative), rất nhiều thử sai, bởi đây là vùng đất hoàn toàn chưa ai đi qua.”

Toàn bộ công trình dựa trên:

• Phòng thí nghiệm tại Birck Nanotechnology Center ở Purdue,
• Sự dẫn dắt của:
• • Vladimir Shalaev – Bob and Anne Burnett Distinguished Professor,
  • Alexandra Boltasseva – Ron and Dotty Garvin Tonjes Distinguished Professor.

Các thành viên khác:

• Yuheng Chen, Morris Yang, Colton Fruhling: tham gia đo lường quang,
• Alexei Lagutchev: đồng ý tưởng, lập kế hoạch thí nghiệm, phân tích dữ liệu,
• Alexander Kildishev: mô phỏng phần tử hữu hạn giúp “dẫn đường” cho thiết kế.

Họ hoạt động trong khuôn khổ Purdue Quantum Science and Engineering Institute và chiến lược rộng hơn của Purdue Computes – nỗ lực tăng tốc nghiên cứu và đào tạo trong lĩnh vực tính toán, bao gồm cả mảng lượng tử.

Chặng kế tiếp: Tối ưu hóa, chuẩn hóa và mở lối vào ngành

Hiện tại, thiết bị Purdue trình diễn mới chỉ là bước đầu chứng minh được nguyên lý. Công việc phía trước gồm:

• Chế tạo SPAD chuyên biệt cho mục đích single-photon switching (thay cho SPAD thương mại tối ưu cho detection).
• Tối ưu:
• • Độ nhạy,
  • Tốc độ đáp ứng,
  • Tỉ lệ lỗi và nhiễu,
  • Công suất quang yêu cầu,
  • Kích thước và khả năng tích hợp on-chip.

Purdue Innovates Office of Technology Commercialization đã nộp đơn bằng sáng chế tạm thời liên quan, đặt nền tảng cho hợp tác với:

• Các hãng bán dẫn,
• Các công ty hệ thống quang – điện tử,
• Đơn vị quốc phòng, hạ tầng, cloud…

Bài báo cũng ghi nhận hợp tác nghiên cứu với DEVCOM Army Research Laboratory, cho thấy nhóm không chỉ nhắm đến thị trường dân sự mà cả ứng dụng chiến lược.

Sychev khá thực tế khi nói: “Chúng tôi mới tìm được một hướng đi đầy hứa hẹn cho một bài toán tồn tại từ lâu. Vẫn cần rất nhiều công việc nữa, nhưng ít nhất, một con đường thú vị đã được mở ra.”

Nếu transistor là viên gạch đầu tiên của kỷ nguyên điện tử, thì photonic transistor một photon mà Purdue vừa chứng minh có thể xem là một phác thảo nghiêm túc đầu tiên cho kỷ nguyên xử lý bằng ánh sáng:

• Nó cho thấy có thể dùng photon điều khiển photon ở cấp độ single-photon,
• Trên một nền tảng bán dẫn, CMOS-compatible, chạy ở nhiệt độ phòng,
• Với tiềm năng tốc độ từ GHz lên tới trăm GHz, chạm ngưỡng THz.

Vẫn còn quá sớm để nói khi nào chúng ta sẽ thấy “CPU quang” trong laptop hay data center, nhưng sau công trình này, câu hỏi đã dịch chuyển từ “Liệu có khả thi không?” sang “Làm thế nào để mở rộng và thương mại hóa?”. Và đó, trong ngôn ngữ của giới công nghệ, là tín hiệu cho thấy một kỷ nguyên mới vừa được bật công tắc – lần này, bằng một photon duy nhất.