Oppenheimer, điện toán lượng tử và mô hình hóa thiết bị

Emily Yan, Giám đốc tiếp thị sản phẩm tại Keysight Technologies, cho biết điển hình cho di sản đó là, xấp xỉ Born-Oppenheimer (BO) - một khái niệm quan trọng, có ảnh hưởng đáng kể đến động lực học phân tử và đặt nền móng cho những tiến bộ sau này trong điện toán lượng tử của các nhà vật lý như Richard Feynman và David Deutsch.

Emily Yan, Giám đốc tiếp thị sản phẩm tại Keysight Technologies.

Được McKinsey đánh giá sẽ đạt giá trị dự kiến là 1,3 nghìn tỷ USD vào năm 2035, điện toán lượng tử đang trở thành một trong những lĩnh vực công nghệ được đầu tư nhiều nhất. Động lực của sự gia tăng đầu tư này là nhận thức về tiềm năng to lớn của máy tính lượng tử trong việc đẩy nhanh đáng kể nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực đa dạng, chẳng hạn như khoa học phân tử, phát triển thuốc và giảm thiểu biến đổi khí hậu.

Vào tháng 7, chỉ trong vòng vài giây, máy tính lượng tử của Google đã thực hiện một phép tính mà siêu máy tính cổ điển tiên tiến nhất thế giới phải mất 47 năm để hoàn thành. Gần đây, các nhà nghiên cứu đã tạo liên đới lượng tử cho 51 qubit bằng máy tính lượng tử Zuchongzhi. Dường như ngày nào cũng có tin mới đưa về những đột phá trong lĩnh vực điện toán lượng tử. Tuy nhiên, ngoài các dòng tít lớn, những đột phá lượng tử này có ý nghĩa gì khác đối với ngành Tự động hóa thiết kế điện tử (EDA)? Công nghệ này sẽ tác động như thế nào đến việc mô hình hóa thiết bị bán dẫn? Và có lẽ quan trọng nhất, làm thế nào có được các mô hình chất lượng cao để chiếm lĩnh vị trí dẫn đầu trong cuộc đua lượng tử?

Điều gì tạo nên sự khác biệt giữa điện toán lượng tử so với điện toán cổ điển?

Máy tính cổ điển hoạt động bằng cách sử dụng bóng bán dẫn với hai trạng thái: bật và tắt. Hai trạng thái này tương ứng với các đơn vị dữ liệu nhị phân được gọi là bit (1 và 0). Cho dù bạn đang phát trực tuyến một bộ phim trên Netflix hay tải xuống một trò chơi, mỗi lần, máy tính sẽ chỉ xử lý một bộ dữ liệu đầu vào và thực hiện một phép tính.

Ngược lại, máy tính lượng tử sử dụng các bit lượng tử, được gọi là qubit, để lưu trữ dữ liệu. Các Qubit tồn tại ở trạng thái chồng chập lượng tử, cho phép chúng biểu diễn một tập hợp các trạng thái có thể có từ 1 đến 0.

Trạng thái chồng chập có thể được minh hoạ dưới dạng bề mặt của hình cầu Bloch. Nếu bạn biết về thí nghiệm Con mèo của Schrödinger, một thí nghiệm tưởng tượng trong đó một con mèo về mặt lý thuyết vừa sống vừa chết cho đến khi nó được quan sát, bạn sẽ hiểu được bản chất đặc thù của nguyên lý chồng chập. Nguyên lý chồng chập cho phép một máy tính lượng tử thực hiện nhiều phép tính với nhiều đầu vào cùng một lúc.

Nói một cách đơn giản, nếu chúng ta có 'n' qubit, một máy tính lượng tử có thể thực hiện các phép tính trên tối đa 2^n đầu vào khác nhau cùng một lúc. So với điện toán cổ điển sử dụng phương pháp tính toán tuần tự, tốc độ tính toán của máy tính lượng tử tăng lên theo hàm mũ, cho phép máy tính lượng tử có thể xử lý lượng lớn dữ liệu với tốc độ chưa từng có.

Minh họa một qubit so với một bit cổ điển

Điện toán lượng tử chuyển đổi ngành tự động hóa thiết kế điện tử (EDA) như thế nào

Điện toán lượng tử có sức hấp dẫn to lớn đối với các doanh nghiệp sản xuất và thiết kế bán dẫn.

Trước hết, khả năng xử lý nhiều biến đồng thời cho phép máy tính lượng tử có thể rút ngắn thời gian thực hiện các tác vụ mô phỏng và mô hình hóa phức tạp từ vài tuần xuống chỉ còn vài phút, cắt giảm đáng kể thời gian xử lý (TTR). Chẳng hạn, máy tính lượng có thể giải quyết các vấn đề tối ưu hóa phức tạp như tối ưu hóa bố cục và phân tích thời gian hiệu quả hơn so với máy tính cổ điển. Năm ngoái, một nhóm nghiên cứu đã lập kỷ lục mới khi vận hành một cổng hai qubit trên silicon chỉ trong 6,5 phần tỷ giây.

Sự tăng tốc của điện toán lượng tử sẽ làm gia tăng nhu cầu đối với các công cụ Tự động hóa thiết kế điện tử (EDA) dành cho điện tử siêu dẫn (SCE).

Ví dụ về một hệ thống tính toán lượng tử nhiệt độ cực thấp

Các công ty hàng đầu sử dụng nhiều loại hiện tượng lượng tử khác nhau để xây dựng các qubit, chẳng hạn như qubit siêu dẫn, ion mắc kẹt, spin bán dẫn và photon. Các nhà thiết kế cần tích hợp các qubit đó vào một mạch tích hợp IC qubit để kết nối chúng với các tín hiệu điều khiển và kết thúc. Chúng ta vẫn còn phải tìm hiểu và học hỏi rất nhiều để có thể làm ra những thiết kế vừa có khả năng mở rộng các ứng dụng điện toán lượng tử có khả năng chống chịu đối với những biến động trong quá trình sản xuất. Sự tiến bộ này có thể thúc đẩy sự xuất hiện của một phân khúc thị trường mới trong ngành EDA, dành riêng cho các công cụ lượng tử đặc thù.

Những khó khăn thách thức hàng đầu đối việc mô hình hóa thiết bị cho điện toán lượng tử

Ưu tiên nền tảng của kỹ sư mô hình hóa thiết bị là tạo ra các mô hình chính xác của thiết bị bán dẫn, ngay cả trong điều kiện lượng tử. Cuộc đua không ngừng biến đổi về lượng tử này đã tạo ra những thách thức phức tạp trong lĩnh vực mô hình hóa thiết bị.

Mô hình hóa thiết bị ở nhiệt độ cực thấp

Trạng thái chồng chập của một qubit rất mong manh, có thể dễ dàng bị phá vỡ bởi xuyên nhiễu từ bên ngoài. Do đó, hầu hết các hệ thống máy tính lượng tử đòi hỏi mức độ cách ly cao với môi trường điện từ và thường hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cực thấp (-130 độ F hoặc thấp hơn).

Dây chuyền sản xuất chất bán dẫn truyền thống cho vi mạch IC thường vận hành trong phạm vi nhiệt độ từ -40° đến 175°C (233,15 đến 448,15 độ Kelvin), còn các hệ thống máy tính lượng tử yêu cầu điều kiện nhiệt độ siêu thấp, có thể dưới -273.05°C (100 millikelvins) ở mức vi mạch IC qubit. Khác biệt lớn về giữa nhiệt độ vận hành của vi mạch IC truyền thống và các hệ thống lượng tử tạo ra thách thức đáng kể, vì nhiệt độ siêu thấp có thể gây ra sự thay đổi trong đáp ứng điện của thiết bị và tạo ra các hiệu ứng phụ thuộc vào nhiệt độ mới.

Nhiệt độ ứng dụng lượng tử so với dải nhiệt độ mô hình đúc

Do đó, các mô hình công nghiệp hiện tại được sử dụng trong các nhà máy chế tạo bán dẫn có thể không nắm bắt chính xác hành vi của thiết bị ở nhiệt độ cực thấp, từ đó gây lỗi thiết kế ngoài dự đoán. Do đó, các nhóm mô hình hóa thiết bị đang nghiên cứu các cách mới để mô tả và mô hình hóa các thiết bị để hỗ trợ SCE và nhiệt độ lạnh cực sâu. Đó là một giới hạn nhiệt độ mới, lạnh lẽo – cần phải vượt qua để khai mở toàn bộ tiềm năng của điện toán lượng tử.

Phát triển mô hình mới cho các cấu trúc thiết bị mới cho điện toán lượng tử

Các ứng dụng lượng tử tạo ra các cấu trúc thiết bị mới. Các hiện tượng lượng tử, chẳng hạn như chồng lấp và liên đới, tạo ra những hành vi hiện chưa có trong các mô hình thiết bị theo tiêu chuẩn công nghiệp. Do đó, đội ngũ kỹ sư lập mô hình thiết bị sẽ phải lập trình những phương trình mới để mô tả chính xác hành vi của thiết bị có cấu trúc mới, những chương trình này sau đó sẽ được liên kết với các bộ mô phỏng thương mại SPICE để mô phỏng và trích xuất thông số mô hình. Việc trích xuất thông số từ các mô hình mới này đòi hỏi không chỉ hiểu biết sâu sắc về các mô hình mà cả kiến thức vững vàng về các thiết bị lượng tử.

Mô hình hóa lượng tử phổ biến và những thách thức

Chuẩn bị cho tương lai điện toán lượng tử

Điện toán lượng tử là một lĩnh vực đầy tiềm năng, nhiều nhà khoa học và các công ty EDA đang nỗ lực không mệt mỏi để khai mở năng lực phi thường công nghệ này. Giải pháp lập mô hình thiết bị toàn diện của Keysight có đầy đủ các tính năng, từ xác định đặc tính thiết bị và đo nhiễu tần số thấp cho tới trích xuất và đánh giá thông số mô hình.

Chúng tôi đang thực hiện sứ mệnh biến năng lực tính toán khổng lồ và tiềm năng giải quyết vấn đề của điện toán lượng tử từ khái niệm thành hiện thực. Tương lai của điện toán lượng tử không còn ở phía trước – mà đang khai mở ngay lúc này. Và câu hỏi thực sự là: chúng ta đã sẵn sàng cho tương lai này chưa?

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng