Tại Quantum Park thuộc Trường Đại học Kỹ thuật Quốc gia Moscow mang tên N.E. Bauman (Bauman MSTU) và Viện Nghiên cứu Khoa học Tự động Toàn Nga (VNIIA), các nhà khoa học đã phát triển thành công công nghệ chế tạo mạch tích hợp siêu dẫn dựa trên nền tảng tantalum (tantal) — một trong những nền tảng vật liệu đầy triển vọng cho các bộ đồng xử lý lượng tử. Chính công nghệ này cho phép cải thiện gấp nhiều lần chất lượng của cơ sở linh kiện điện tử (ЭКБ) lượng tử siêu dẫn. Hệ số phẩm chất (độ lợi) của các vi mạch tantalum do Nga sản xuất đã đạt tới con số hàng chục triệu — mức độ mà hiện nay chỉ có một vài trung tâm khoa học hàng đầu thế giới đạt được. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học uy tín Applied Physics Reviews (APR 2026). Những lô hàng bộ đồng xử lý lượng tử đầu tiên trên nền tảng tantalum đã được ký kết hợp đồng cung cấp ngay trong mùa thu năm 2026.Quy mô của cuộc cách mạng công nghệ AI hiện nay phụ thuộc trực tiếp vào năng lượng tính toán. Các siêu máy tính thế hệ mới là yếu tố cực kỳ then chốt cho việc huấn luyện mạng thần kinh nhân tạo (AI), mô phỏng khí hậu, giải mã bộ gen và tìm kiếm các vật liệu mới. Trong khi đó, máy tính truyền thống đang dần tiến đến ranh giới vật lý: chúng tiêu thụ hàng megawatt điện năng, chiếm dụng không gian của cả tòa nhà, và hiệu suất của chúng đang bị giới hạn bởi các định luật vật lý lượng tử. Đến năm 2030, thế giới sẽ cần đến các hệ thống tính toán ở cấp độ exaflop (exaflop systems) – nhanh hơn gấp nhiều lần so với các hệ thống hiện tại.

Ảnh SEM của một con chip có bộ cộng hưởng dựa trên tantali

Một trong những hướng đi cốt lõi và đầy triển vọng là việc sử dụng các kiến trúc lai (hybrid architectures), nơi các siêu máy tính truyền thống hoạt động kết hợp với các bộ đồng xử lý lượng tử, photon, thần kinh (neural) và các loại bộ đồng xử lý khác. Nền tảng lượng tử siêu dẫn nằm trong số những công nghệ tiềm năng nhất, và đây cũng chính là hướng đi mà các tập đoàn công nghệ lớn như IBM, Google và nhiều ông lớn khác đang theo đuổi. Trong gần 25 năm qua, ngành công nghiệp này đã phát triển dựa trên vật liệu nhôm — một loại vật liệu có tính ứng dụng công nghệ cao và tưởng chừng như không thể thay thế, nhờ đó các bộ xử lý lượng tử NISQ (lượng tử nhiễu quy mô trung bình) mới có thể trở thành hiện thực. Tuy nhiên, khi số lượng qubit tăng lên, các vật liệu và công nghệ hiện tại lại bắt đầu giới hạn hiệu suất của máy tính: các khuyết tật bề mặt và quá trình oxy hóa làm gia tăng hiện tượng mất liên kết (decogherence) của qubit, dẫn đến việc mất mát thông tin. Mạch tích hợp càng phức tạp, tổn thất này càng trở nên nghiêm trọng.Khác với nhôm, tantalum (tantal) hầu như không phản ứng với axit và các môi trường ăn mòn mạnh. Nhờ đặc tính này, các vi mạch có thể trải qua các phương pháp xử lý bề mặt chuyên sâu để loại bỏ hoàn toàn các tạp chất nguyên tử và lớp oxit vốn làm giảm chất lượng của qubit. Lớp oxit tự nhiên của tantalum chứa ít khuyết tật hơn nhiều so với nhôm, đồng nghĩa với việc thông tin lượng tử được lưu trữ lâu hơn. Trong thực tiễn thế giới, những qubit tốt nhất hiện nay đều được chế tạo trên nền tảng tantalum: thời gian liên kết (coherence time) đã đạt tới 1,68 miligiây (nghiên cứu của Đại học Princeton, công bố trên tạp chí Nature năm 2025), vượt trội gấp nhiều lần so với các thế hệ tương đương bằng nhôm. Việc chuyển đổi từ nhôm sang tantalum là một trong những con đường tiềm năng nhất để chế tạo ra các máy tính lượng tử có khả năng chống lỗi (fault-tolerant quantum computers).Tại Quantum Park, các nhà khoa học đã phát triển thành công công nghệ chế tạo các chip lượng tử dựa trên nền tảng alpha-tantalum có độ tinh khiết cao.

Thách thức lớn nhất nằm ở chỗ tantalum là một kim loại rất "đỏng đảnh" (khó xử lý): màng mỏng của nó phát triển theo hai pha (beta và alpha), và trong một thời gian dài, cơ chế hình thành pha alpha mong muốn trên các đế silicon (silicon substrates) vẫn là một ẩn số.

Ảnh SEM của một con chip có bộ cộng hưởng dựa trên tantal

Các nhà khoa học và kỹ sư Nga đã phát hiện ra cơ chế chuyển pha tự phát của tantalum từ pha beta siêu bền (metastable beta-phase) sang pha alpha mong muốn dùng cho các mạch siêu dẫn ngay trong giai đoạn tăng trưởng của màng mỏng."Trong quá trình phát triển công nghệ, chúng tôi đã thực hiện hơn 1.000 thí nghiệm. Những kết quả này đã giúp chúng tôi đưa ra giả thuyết về cơ chế lựa chọn pha, giải thích quá trình hình thành của alpha-tantalum và beta-tantalum", ông Evgeny Zikiy, nhà phát triển công nghệ kiêm nghiên cứu viên cao cấp tại Quantum Park, giải thích. "Bằng cách sử dụng các phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải nguyên tử, chúng tôi đã phân tích hình thái của hàng chục tấm wafer được sản xuất hàng loạt và theo dõi các đặc tính cấu trúc ở cấp độ dưới nanomet (sub-nanometer) của alpha-tantalum trên nền silicon — những chi tiết mà các thiết bị 'thông thường' đơn giản là không thể nhìn thấy được. Qua quá trình nghiên cứu tỉ mỉ, chúng tôi đã hiểu rõ bản chất của những cấu trúc siêu nhỏ này và nghiên cứu sự hình thành các màng mỏng ở độ dày chỉ vài chục lớp nguyên tử".Hệ số phẩm chất (độ lợi) của các bộ cộng hưởng (resonators) là bài "kiểm tra khắc nghiệt" (test-drive) chính đối với công nghệ mạch tích hợp siêu dẫn dùng cho các ứng dụng lượng tử. Chỉ số này cho biết hệ thống có thể lưu trữ trạng thái lượng tử trong bao lâu: hệ số phẩm chất càng cao, qubit tồn tại càng lâu và các thuật toán lượng tử hoạt động càng đáng tin cậy. Đối với các bộ cộng hưởng tantalum được chế tạo tại Quantum Park, hệ số phẩm chất đạt tới 10 triệu ở chế độ đơn photon (single-photon mode). Điều này có nghĩa là một photon vi sóng có thể "chạy" bên trong bộ cộng hưởng hàng chục triệu lần (khoảng 10 km) trước khi năng lượng của nó bị tiêu tán. Và tất cả những điều này diễn ra chỉ trong vài phần triệu giây.Chỉ số đạt được này nằm trong số những kết quả tốt nhất thế giới: những giá trị tương tự hiện nay chỉ có thể đạt được bởi các đồng nghiệp từ Đại học Princeton (Mỹ) và Trung tâm Công nghệ Nano imec của Bỉ."Công nghệ mới này đối với chúng tôi đã được thử nghiệm thành công trên các bộ cộng hưởng vi sóng cryo (cryogenic microwave resonators), và chúng tôi đã nâng cao hệ số phẩm chất của các mạch tích hợp siêu dẫn lên hơn một dòng bậc độ lớn (gấp hơn 10 lần).

Giai đoạn khó khăn nhất đã được bắt đầu — đó là đưa vào sản xuất hàng loạt. Những lô hàng bộ đồng xử lý lượng tử đầu tiên trên nền tảng tantalum đã được ký kết hợp đồng cung cấp ngay trong mùa thu năm 2026", ông Ilya Rodionov, người đứng đầu cụm công nghệ Quantum Park, nhấn mạnh.Các nghiên cứu được thực hiện trong khuôn khổ dự án công nghệ chiến lược "Tính toán lai cấp độ Exascale (Bauman DeepTech)" thuộc chương trình "Prioritet-2030" (Ưu tiên-2030). Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí vật lý uy tín Applied Physics Reviews.

Quantum Park là một phức hợp đa chức năng độc nhất vô nhị, được thiết kế và xây dựng chuyên biệt nhằm giải quyết các bài toán thực tiễn tại giao điểm của các công nghệ lượng tử, photon và lưu chất (fluidics). Cụm công nghệ này là một phần thuộc khuôn viên trường (campus) của Đại học Kỹ thuật Quốc gia Moscow mang tên N.E. Bauman (Bauman MSTU), được xây dựng trong khuôn khổ dự án liên bang "Xây dựng mạng lưới các campus hiện đại". Dự án liên bang này đang được triển khai như một phần của dự án quốc gia "Thế hệ trẻ và Trẻ em".Xí nghiệp quốc doanh hợp nhất liên bang "Viện Nghiên cứu Khoa học Tự động Toàn Nga mang tên N.L. Dukhov" (FGUP "VNIIA") được thành lập vào năm 1954 và là một trong những tổ chức nghiên cứu khoa học hàng đầu của Tập đoàn Năng lượng Nguyên tử Quốc gia "Rosatom". FGUP "VNIIA" là doanh nghiệp mũi nhọn trong tổ hợp vũ khí hạt nhân của Rosatom, đồng thời là đơn vị dẫn đầu cả nước trong lĩnh vực Hệ thống điều khiển tự động quá trình công nghệ (ACS TP) cho các cơ sở hạt nhân, cũng như trong việc chế tạo các máy phát neutron di động.

Tin Khoa học – Công nghệ