Sở Khoa học và Công nghệ

https://skhcn.dongnai.gov.vn

Bước đột phá có thể giải phóng công nghệ lượng tử khỏi sự phụ thuộc vào Helium-3

Cuộc đua nhằm đạt đến trạng thái cực lạnh mà các công nghệ lượng tử hiện đại yêu cầu vừa ghi nhận một bước tiến quan trọng từ các nhà khoa học Trung Quốc. Họ đã phát triển thành công một loại hợp kim mới có khả năng đạt đến nhiệt độ gần sát độ không tuyệt đối, mức nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được trong vũ trụ, mà không cần sử dụng đến helium-3, một loại đồng vị cực kỳ khan hiếm và đắt đỏ.
Ảnh minh họa hợp kim mới và hiệu ứng làm lạnh từ tính của nó (Ảnh: XU Xitong)
Đây được xem là một thành tựu có ý nghĩa then chốt, bởi các công nghệ lượng tử như máy tính lượng tử, vốn tận dụng những hành vi kỳ lạ của hạt ở quy mô siêu nhỏ, đang mở ra những ứng dụng mang tính đột phá tương tự như trong phim khoa học viễn tưởng.
Khác với máy tính truyền thống lưu trữ thông tin dưới dạng 0 và 1, máy tính lượng tử sử dụng các qubit – đơn vị thông tin cơ bản có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng lúc, cho phép thực hiện những phép toán phức tạp mà máy tính thông thường phải mất hàng triệu năm mới hoàn thành.
Tuy nhiên, thách thức lớn nhất đối với các hệ thống này chính là nhiệt độ. Các nguyên tử luôn rung động liên tục và giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt nhưng công nghệ lượng tử lại yêu cầu các nguyên tử phải ở trạng thái gần như bất động. Trạng thái này chỉ có thể đạt được ở nhiệt độ cực thấp, cụ thể là dưới 1 Kelvin (tương đương -272,15 °C). Ngay cả một giao động nhiệt nhỏ nhất cũng có thể làm xáo trộn trạng thái của các qubit hoặc làm giảm độ tin cậy của các cảm biến lượng tử cực nhạy.
Hiện nay, thiết bị phổ biến nhất để tạo ra độ lạnh sâu này là máy làm lạnh pha loãng, dựa trên hỗn hợp kiểm soát giữa helium-3 và helium-4. Vấn đề nằm ở chỗ helium-3 là một đồng vị rất khan hiếm, chủ yếu được tạo ra như một phụ phẩm từ quá trình phân rã tritium trong các lò phản ứng hạt nhân với nguồn cung toàn cầu cực kỳ hạn chế.
Chi phí cao và sự khan hiếm của helium-3 đã trở thành “nút thắt cổ chai” ngăn cản việc mở rộng quy mô máy tính lượng tử và các công nghệ điện lạnh sâu khác. Hơn nữa, các hệ thống làm lạnh bằng helium-3 thường rất cồng kềnh, phức tạp và chiếm nhiều không gian phòng thí nghiệm.
Để vượt qua rào cản này, các nhà nghiên cứu từ Viện Vật lý Cơ sở thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) và Đại học Giao thông Thượng Hải đã phát triển một loại vật liệu rắn có tên là EuCo₂Al₉. Đây là một hợp kim đất hiếm bao gồm europium, coban và nhôm, hoạt động dựa trên nguyên lý làm lạnh khử từ đoạn nhiệt (ADR).
Trong quy trình ADR, một vật liệu từ tính được đặt dưới một từ trường mạnh khiến các mô-men từ bên trong sắp xếp thẳng hàng và giải phóng nhiệt. Khi vật liệu được cách ly với môi trường và loại bỏ từ trường, các mô-men từ sẽ trở nên hỗn loạn và hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh, giúp hạ nhiệt độ xuống mức cực thấp.
Mặc dù công nghệ ADR đã tồn tại trước đây nhưng cải tiến của các nhà khoa học Trung Quốc nằm ở chính đặc tính dẫn nhiệt của vật liệu. Thông thường, các vật liệu ADR gặp khó khăn trong việc truyền hiệu ứng làm lạnh ra bên ngoài, giống như một “khối gỗ đông đá” có thể lạnh nhưng không thể làm lạnh thứ khác.
Hợp kim EuCo₂Al₉ không chỉ đạt được tiềm năng nhiệt độ thấp của ADR mà còn có khả năng dẫn nhiệt tốt, tạo thành một mô-đun làm lạnh trạng thái rắn nhỏ gọn, không có bộ phận chuyển động. Trong các thử nghiệm tại phòng thí nghiệm, loại vật liệu này đã đạt mức nhiệt khoảng 106 millikelvin, tương đương với các hệ thống helium-3 truyền thống và nằm hoàn toàn trong phạm vi cần thiết cho nhiều ứng dụng điện lạnh sâu.
Việc loại bỏ sự phụ thuộc vào helium-3 không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn mở đường cho các hệ thống làm lạnh cầm tay, giúp phần cứng máy tính lượng tử trở nên gọn nhẹ và hiệu quả hơn. Các hệ thống này có thể được lắp đặt trực tiếp trên tàu vũ trụ để phục vụ tính toán trong không gian sâu, hoặc tích hợp vào hạ tầng quân sự để tạo ra các mạng lưới thông tin mã hóa an toàn mà không cần những cơ sở làm lạnh khổng lồ.
Ngay cả ngành chẩn đoán hình ảnh y học tiên tiến cũng có thể hưởng lợi từ các hệ thống điện lạnh nhỏ gọn và dễ tiếp cận hơn này. Thành tựu này được công bố trên tạp chí Nature chỉ 2 tuần sau khi Cơ quan Nghiên cứu Dự án Phòng thủ Tiên tiến (DARPA) của Mỹ đưa ra lời kêu gọi khẩn cấp về việc phát triển các hệ thống làm lạnh mô-đun không dùng helium-3, cho thấy tính thời điểm và tầm quan trọng chiến lược của nghiên cứu này.
 

Tác giả: LH, (New Atlas)

Bạn đã không sử dụng Site, Bấm vào đây để duy trì trạng thái đăng nhập. Thời gian chờ: 60 giây