Sử dụng chùm bức xạ ion trong phát triển công nghệ lượng tử

Một dự án nghiên cứu chung của IAEA đã hỗ trợ các nhà khoa học khám phá ra cách các chùm bức xạ ion có thể được sử dụng để tạo ra các chuỗi bit lượng tử (qubit)
 

Khoa học công nghệngày nay đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của những ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI), dữ liệu lớn (bigdata) và truyền dẫn tín hiệu 5G. Sự ra đời của mạng thông tin liên lạc lượng tử đượcmã hóa tuyệt đối, cảm biến lượng tử có độ nhạy và chính xác cao hay các siêu máy tính lượng tử là những tín hiệu cho thấy dự báo về một cuộc cách mạng công nghệ mới sẽ bùng nổ trong tương lai, đó là cuộc cách mạng công nghệ lượng tử.Công nghệ lượng tử đang mở ra một thế giới hoàn toàn khác với tiềm năng hướng tới những ứng dụng tiến bộ,vượt qua các lĩnh vực khoa học cổ điển, trong đó chùm bức xạ ioncho thấy khả năng ứng dụng trong việc phát triển các vật liệu độc đáo, góp phần quan trọng cho các ứng dụng công nghệ lượng tử mới. Theo TS. Aliz Simon, một chuyên gia vật lý hạt nhân tại Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) cho biết, IAEA quan tâm một cách toàn diện đến các sáng kiến trên toàn thế giới về công nghệ lượng tử. Các kỹ thuật sử dụng máy gia tốc chùm bức xạ ion mang đến những cơ hội mới để khám phá và nghiên cứu phát triển hơn nữa về công nghệ lượng tử.

Những kết nối và khám phá mới

Kể từ năm 2017, IAEA đã quy tụ các chuyên gia đến từ nhiều quốc gia trên thế giới thông qua một dự án nghiên cứu chung (CRP) để phát triển vật liệu cho các ứng dụng công nghệ lượng tử.Nội dung thực hiện của dự án này bao gồm việc phát triển các kỹ thuật mới trong thí nghiệm và cải tiến các mô hình lý thuyết nhằm mục đích làm rõ các hiệu ứng bức xạ và quá trình tương tác của ion.Với công nghệ lượng tử, chúng ta có thể thay đổi cấu trúc vật liệu ở cấp độ nguyên tử bằng chùm bức xạ ion từ thiết bị gia tốc hạt mang điện tích để tạo ra những loại vật liệu mới được sử dụng cho các ứng dụng tính toán lượng tử, công nghệ cảm biến lượng tử, mã hóa lượng tử, công nghệ hình ảnh và nhiều ứng dụng khác.

Dự án do IAEA khởi xướng đã quy tụ và kết nối các chuyên gia đến từMỹ, Úc, Trung Quốc, Croatia, Phần Lan, Ấn Độ, Israel, Italia, Nhật Bản, Singapore, Tây Ban Nha. Ông Thomas Schenkel, Trưởng bộ phận Khoa học nhiệt hạch và công nghệ chùm ion tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Mỹ) cho biết, dự án thu hút được các nhà khoa học nhờ những cam kết về việckết nối các nhà khoa học đến từ nhiều quốc gia và thuộc các lĩnh vực khác nhau. Bằng cách tập hợp các nhà khoa học lại với nhau và tập trung nỗ lực, họ có thể đưa ra những ý tưởng mới mà khi nghiên cứu độc lập dường như là không thể có được.

Dự án này đã hỗ trợ các nhà nghiên cứu khám phá ra phương pháp sử dụng chùm bức xạ ion nhằm tạo ra các chuỗi bit lượng tử được kết cặp chặt chẽ (qubit). Công nghệ thông tin ngày nay mã hóa dữ liệu theo hệ nhị phân với mỗi bit là một giá trịhoặc là 0 hoặc là 1. Bit là đơn vị nhỏ nhất dùng để biểu thị những thông tin trong máy tính thông thường và là đơn vị cơ bản dùng để đo lượng thông tin trong hệ thống. Nhưng mã hóa lượng tử là kỹ thuật sử dụng đặc trưng lượng tử của các hạt vật chất, trong đó đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử được gọi là qubit. Một qubit có thể có giá trị 0 và 1 ở cùng một thời điểm do đó khi tổ hợp các qubit sẽ cho phép lưu giữ thông tin lớn gấp bội, phức tạp hơn và mạnh hơn các bit thông tin được sử dụng trong máy tính thông thường.

Các thiết bị nguyên mẫu của máy tính lượng tử 10 đến 50 qubit hiện nay đang được sử dụng để phát triển phần mềm lượng tử.Khám phá mới nhất cho thấy tiềm năng để tạo ra các hệ thống lượng tử lên tới 10.000 qubit kết cặp trên một chiều dài 50 micron, xấp xỉ độ dày của một sợi tóc. Ông Schenkel cho biết, các nhà khoa học muốn tiếp tục theo đuổi hướng nghiên cứu này đểtìm hiểu về hiệu ứng, sau đó tích hợp chuỗi qubit với mạch điện tử điều khiển và đọc lệnh cho các ứng dụng cảm biến lượng tử, chẳng hạn như ứng dụngtrong thăm dò hoạt động của các tế bào thần kinh trong não hoặc phát hiện các sự kiện tương tác của vật chất tối hiếm gặp.

Cảm biến lượng tử với qubit được tạo ra bằng cách sử dụng chùm bức xạ ion đang được phát triển trong các phòng thí nghiệm thuộc dự án CRP. Các cảm biến này có thể cung cấp khả năng đo lường chính xác cao,nâng cao hiệu suất hoạt động của các thiết bị và dịch vụ cung cấp, từ thiết bị chẩn đoán hình ảnh y tế đến các thiết bị điều hướng có độ chính xác cao. Những kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Applied Physics Letters (Mỹ) vào tháng 2 năm 2021. Đến nay, các nhà khoa học tham gia dự án CRP đã công bố 55 bài báo khoa học vàsách liên quan đến vật liệu mới, mô hình hóa và công nghệ máy gia tốc mới.

Một số hoạt động nổi bật của IAEA trong năm 2021

Trong thời đại khoa học công nghệ phát triển và ngày càng được quan tâm như hiện nay, vai trò của dự án CRP có ý nghĩa thiết thực, nâng cao hiểu biết và thu hút những nhà khoa học tham gia vào lĩnh vực lượng tử. Vào tháng 5/2021, IAEA đã tổ chức một hội thảo đào tạo trực tuyến trong thời gian bốn ngày với chủ đề “Công nghệ vật liệu tạo ra từ chùm bức xạ ion: Vai trò mới của máy gia tốc đối với công nghệ lượng tử”. Việc tổ chức hội thảo rất hữu ích giúp gắn kết mọi người lại với nhau và mang đến những ý tưởng khác nhau. Hội thảo có sự góp mặt của hơn 80 đại biểu tham gia và một nửa trong đó đến từ các quốc gia đang phát triển trên thế giới.

Theo ông Simon, ý tưởng của việc tổ chức hội thảo không chỉ để đào tạo và cung cấp kiến thức để trang bị cho người tham gia vào lĩnh vực này mà còn đánh giá những điều kiện đáp ứng cần thiết về năng lực và kiến thứccủa ứng viên để có thể tham gia cộng tác nghiên cứu. IAEA muốn mở rộng các phòng thí nghiệm máy gia tốc liên quan đến khoa học lượng tử và triển khai thực hiện để thu hút các nhà khoa học tham gia. Theo thống kê từ cơ sở dữ liệu của IAEA, hiện nay trên thế giới có 322 máy gia tốc chùm bức xạ ion đang hoạt động, điều này cho thấy tiềm năng phát triển để thúc đẩy việc sử dụng máy gia tốc chùm bức xạ ion cho công nghệ lượng tử.

Bên cạnh việc tổ chức hội thảo, một khóa học e-learning của IAEA về Kỹ thuật chùm bức xạ ion với các vật liệu cho công nghệ lượng tử cũng đã được đưa ra. Khóa học này có mục tiêu hướng đến các đối tượng là nghiên cứu sinh và nghiên cứu sinh sau tiến sĩ (postdoc) có chuyên môn liên quan đến khoa học vật liệu, tương tác giữa ion với vật chất và công nghệ máy gia tốc. Nội dung của khóa học là cung cấp kiến thức tổng quan về kỹ thuật chùm bức xạ ion với vật liệu cho khoa học lượng tử, các đặc trưng kỹ thuật, công nghệ máy gia tốc và ứng dụng để tạo ra những vật liệu mới.

Công nghệ lượng tử hiện nay đang ở giai đoạn chuyển tiếp với những phát triển nhanh chóng, việc sử dụng công nghệ lượng tử như thế nào,cũng như tiềm năng được ứng dụng đến đâu để cải thiện những tiến bộ của nhân loại và nền văn minh của chúng ta vẫn còn là một câu hỏi được đặt ra để tiếp tục thúc đẩy những nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ này.