Chip quang học (photonic chip) từ lâu được giới công nghệ kỳ vọng sẽ thay thế chip điện tử trong xử lý AI, vì photon di chuyển ở tốc độ ánh sáng và gần như không tỏa nhiệt. Nhưng có một vấn đề dai dẳng: mỗi khi mạng nơ-ron cần thực hiện bước kích hoạt phi tuyến (nonlinear activation), tức bước "ra quyết định" giữa các lớp, hệ thống buộc phải chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, xử lý xong rồi chuyển ngược lại. Quá trình chuyển đổi đó tiêu tốn năng lượng và tạo nút thắt cổ chai, triệt tiêu phần lớn lợi thế của tính toán bằng ánh sáng.

Exciton-polariton là gì?

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Pennsylvania do Giáo sư Bo Zhen dẫn đầu vừa công bố một giải pháp: tạo ra giả hạt (quasiparticle) gọi là exciton-polariton. Hạt này hình thành khi photon được liên kết mạnh với exciton bên trong một lớp bán dẫn mỏng cỡ nguyên tử. Exciton là trạng thái liên kết giữa electron bị kích thích và "lỗ trống" (hole) mà nó để lại. Khi photon bị giam trong một khoang vi cộng hưởng cùng với lớp bán dẫn, hai thực thể này dao động qua lại liên tục, tạo thành một hạt lai mang đồng thời tính chất của ánh sáng (tốc độ cao, truyền xa) và tính chất của vật chất (tương tác mạnh với môi trường xung quanh).

Tại sao điều này quan trọng với AI?

Tính chất "lai" chính là chìa khóa. Photon thuần túy hầu như không tương tác với nhau, vì vậy không thể thực hiện phép tính phi tuyến, tức phép tính mà đầu ra không tỷ lệ đơn giản với đầu vào. Nhưng phần exciton trong exciton-polariton lại tương tác rất mạnh. Khi hai exciton-polariton gặp nhau, phần vật chất của chúng va chạm và thay đổi trạng thái, tạo ra hiệu ứng chuyển mạch (switching) hoàn toàn trong miền quang học, không cần chuyển về điện tử.

Nhóm nghiên cứu đã chứng minh khả năng chuyển mạch toàn quang với mức năng lượng chỉ khoảng 4 femtojoule, thấp hơn nhiều lần so với năng lượng cần để làm sáng một đèn LED nhỏ trong tích tắc. Mức tiêu thụ cực thấp này mở ra khả năng thực hiện hàng tỷ phép tính phi tuyến mà vẫn tiêu tốn rất ít năng lượng.

Từ phòng thí nghiệm đến chip AI

Nếu mở rộng thành công, công nghệ này có thể dẫn đến chip quang học xử lý thông tin trực tiếp từ camera hoặc cảm biến quang mà không cần chuyển đổi liên tục giữa ánh sáng và điện. Điều đó đặc biệt có ý nghĩa với các hệ thống AI quy mô lớn hiện đang tiêu thụ lượng điện khổng lồ. Nhóm nghiên cứu cũng gợi ý rằng exciton-polariton có tiềm năng hỗ trợ một số chức năng tính toán lượng tử cơ bản trên chip trong tương lai.

Thách thức còn lại nằm ở việc chế tạo hàng loạt: vật liệu bán dẫn mỏng cỡ nguyên tử hiện vẫn khó sản xuất đồng nhất ở quy mô wafer. Nhưng bước chứng minh nguyên lý này cho thấy ranh giới giữa ánh sáng và vật chất trong tính toán đang dần bị xóa nhòa, và hướng đi photonic cho AI không còn chỉ là lý thuyết.