QuantWare vừa huy động 178 triệu USD để xây nhà máy sản xuất vi xử lý lượng tử lớn nhất thế giới, với kiến trúc VIO-40K hứa hẹn 10.000 qubit, gấp 100 lần mức hiện tại. Nhưng chế tạo chip lượng tử siêu dẫn khác hoàn toàn với chip silicon truyền thống. Quy trình chế tạo trải dài từ tấm wafer đến bộ xử lý hoạt động ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối.

Josephson junction: Trái tim của qubit siêu dẫn

Nếu transistor là đơn vị cơ bản của chip cổ điển, thì Josephson junction là đơn vị cơ bản của chip lượng tử siêu dẫn. Cấu trúc này gồm hai lớp kim loại siêu dẫn, thường là niobi hoặc nhôm, kẹp một lớp cách điện cực mỏng, dày khoảng 1-2 nanomet. Khi làm lạnh xuống dưới nhiệt độ tới hạn, dòng điện chạy xuyên qua lớp cách điện nhờ hiệu ứng đường hầm lượng tử, không có điện trở. Mỗi junction hoạt động như một dao động tử phi tuyến: hai mức năng lượng thấp nhất trở thành trạng thái 0 và 1 của qubit.

Quy trình phòng sạch: Lắng đọng và khắc mạch

Sản xuất bắt đầu với tấm wafer sapphire hoặc silicon có độ tinh khiết cao. Kỹ sư sử dụng phương pháp bốc bay hoặc phún xạ để lắng đọng lớp niobi dày khoảng 100-200 nm lên bề mặt. Tiếp theo, công đoạn quang khắc tạo hình các đường truyền tín hiệu vi sóng và bộ cộng hưởng. Khác với chip cổ điển dùng hàng chục lớp, chip lượng tử thường chỉ cần 3-5 lớp, nhưng yêu cầu độ sạch bề mặt cực kỳ nghiêm ngặt. Một nguyên tử tạp chất cũng có thể gây mất kết hợp (decoherence), phá hỏng trạng thái lượng tử trong vài micro giây.

Kỹ thuật bốc bay góc kép để tạo junction

Để tạo lớp cách điện mỏng chính xác, kỹ sư dùng phương pháp bốc bay góc kép: lắng đọng lớp nhôm đầu tiên theo một góc, oxy hóa bề mặt để tạo lớp Al₂O₃ dày vài angstrom, rồi lắng đọng lớp nhôm thứ hai theo góc khác. Vùng hai lớp nhôm giao nhau qua lớp oxit chính là Josephson junction. Độ dày oxit quyết định dòng tới hạn và tần số hoạt động của qubit, nên kiểm soát chính xác đến từng angstrom là yếu tố sống còn.

Làm lạnh xuống 15 millikelvin

Chip hoàn thiện được đặt vào tủ pha loãng (dilution refrigerator), hệ thống nhiều tầng làm lạnh từ nhiệt độ phòng xuống khoảng 15 millikelvin, lạnh hơn không gian vũ trụ 200 lần. Ở nhiệt độ này, niobi trở thành siêu dẫn hoàn toàn và nhiễu nhiệt gần như biến mất, cho phép qubit duy trì trạng thái chồng chập đủ lâu để thực hiện phép tính. Mỗi qubit được điều khiển bằng xung vi sóng ở tần số GHz, phát qua các đường dẫn đồng trục cách nhiệt từ thiết bị điện tử ở nhiệt độ phòng.

Kiến trúc mở và sản xuất theo mô-đun

Thách thức lớn nhất khi tăng số qubit không phải là chế tạo thêm junction, mà là kết nối chúng mà không gây nhiễu chéo. QuantWare giải quyết bài toán này bằng kiến trúc mở theo mô-đun: thay vì đặt tất cả qubit trên một chip duy nhất, họ sản xuất các mô-đun nhỏ rồi ghép nối qua liên kết siêu dẫn hoặc khoang vi sóng. Cách tiếp cận này giống triết lý chiplet trong bán dẫn cổ điển, cho phép tăng quy mô mà không cần wafer khổng lồ. Nhà máy KiloFab mới sẽ nâng công suất gấp 20 lần, phục vụ hơn 50 khách hàng tại 20 quốc gia.

Sự khác biệt then chốt so với chip silicon: chip lượng tử không cần hàng tỷ transistor mà cần hàng nghìn junction hoạt động đồng bộ ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối, với thời gian kết hợp đủ dài để thuật toán hoàn thành trước khi thông tin bị mất.