Từ lâu các nhà khoa học đã biết rằng nếu tạo ra được một chiếc máy tính sử dụng công nghệ truyền dẫn ánh sáng thì sẽ có sức mạnh tính toán nhanh gấp nhiều lần so với máy tính điện tử. Tuy nhiên, điều gì đã ngăn cản các nhà khoa học hoàn thành một chiếc máy tính quang tử?

Về nguyên tắc, truyền dẫn với ánh sáng dễ dàng hơn nhiều so với truyền dẫn với điện tử. Theo ExtremeTech, chúng ta đã sử dụng ánh sáng từ khá lâu rồi, từ những công nghệ như pháo hiệu đến mạng cáp quang, vì các photon (quang tử) có khả năng truyền dữ liệu nhanh hơn so với electron (điện tử). Tuy nhiên, ánh sáng cũng có những nhược điểm mà electron không có, đó là kích thước lớn. Trong một thời gian dài, nguyên nhân cản trở sự hình thành một máy tính quang tử đến từ 3 yếu tố: kích thước, năng lượng và nhiệt độ.

Đầu tiên, ánh sáng có kích thước rất lớn. Nói chung, các bước sóng nhỏ nhất phù hợp cho máy tính là dải sóng hồng ngoại, với kích thước khoảng 1.000 nanomet. Trong khi đó, những cải tiến trong công nghệ chế tạo bóng bán dẫn điện tử (transistor) đã giúp chúng ta đạt và thậm chí vượt qua ngưỡng 10 nanomet. Các nhà khoa học đã thử kết hợp kỹ thuật in thạch bản với một số công nghệ nhiễu xạ ánh sáng phức tạp để in lên đế silicon với các chi tiết rất nhỏ, nhỏ hơn so với in bằng bước sóng ánh sáng. Đây là một cách làm rất sáng tạo, tuy nhiên nó vẫn chỉ là trò trẻ con so với kỹ thuật truyền dẫn siêu nhanh, siêu phức tạp mà chúng ta cần có bên trong một con chip máy tính hiện đại. Các kỹ thuật uốn sóng ánh sáng hiện nay cũng không có tác dụng trong chế tạo máy tính quang tử.

Để khắc phục vấn đề về kích thước, làm cho ánh sáng có thể ứng dụng được trong các máy tính thế hệ tiếp theo, các kỹ sư đã sử dụng một kỹ thuật gọi là "plasmon bề mặt". Các hạt điện tử thiết yếu sẽ được kích thích vì thế chúng sẽ nhảy trên bề mặt của vật liệu, khai thác trạng thái lượng tử phi tự nhiên để chúng di chuyển giống như một quang tử hơn là một điện tử. Plasmon bề mặt là một kiểu "dở ông dở thằng", nửa điện nửa ánh sáng. Nó "thừa kế" rất nhiều đặc điểm của ánh sáng, nhưng lại có một kích thước rất nhỏ hoạt động trên bề mặt của dây dẫn. Nếu đặt nó trên một dây đồng, plasmon bề mặt có thể di chuyển nhanh hơn các điện tử thông thường di chuyển bên trong dây, và tiệm cận tốc độ ánh sáng.

Tốc độ truyền dữ liệu đặc biệt hữu ích khi khoảng cách giữa các điểm truyền dẫn xa nhau. Vì thế, tính toán quang tử sẽ được ứng dụng đầu tiên vào việc truyền dẫn dữ liệu giữa các nhân trong bộ vi xử lý. Hiện tại, dây đồng kết nối các nhân cho phép chúng hoạt động cùng nhau. Tuy nhiên, tốc độ truyền dẫn dữ liệu giữa các nhân ngày càng chậm hơn so với tốc độ của từng nhân riêng lẻ. Vì thế, nếu chúng ta muốn nâng cao sức mạnh của một bộ vi xử lý 64 nhân, chúng ta cần phải cho các nhân liên lạc với nhau bằng một cách thức nào đó nhanh hơn điện tử di chuyển trong dây đồng. Tốc độ plasmon bề mặt chính là giải pháp tốt.

Có một vấn đề khi chúng ta chuyển đổi từ sóng ánh sáng sang plasmon bề mặt, đó là plasmon sẽ nhanh chóng mất đi năng lượng của mình. Chúng di chuyển rất nhanh nhưng sẽ hụt hơi trước khi chạm đích. Để giúp chúng duy trì nguồn năng lượng khi di chuyển từ điểm nguồn đến điểm đích, các kỹ sư sẽ phải "bơm" dây vào trong một thành phần plasmon động. Như vậy, chỉ mất một chút năng lượng để giữ cho dây ở trạng thái mà các plasmon bề mặt không bị mất đi hàng tấn năng lượng khi chúng di chuyển.

Cáp quang, với ánh sáng xanh và trắng.

Cáp quang, với ánh sáng xanh và trắng.

Nhưng lại có một vấn đề khác phát sinh, đó là nhiệt. Plasmon bề mặt đã giải quyết được yêu cầu về kích thước. Plasmon động giải quyết vấn đề năng lượng cho plasmon bề mặt. Nhưng bây giờ các kỹ sư lại phải giải bài toán giữ cho các thành phần được bơm vào không bị quá nóng vì nguồn năng lượng được bổ sung. Đây là một bài toán khó. Nó dẫn đến giả định rằng bất cứ một máy tính quang tử nào cũng phải có một hệ thống làm mát cao cấp, hoặc các kỹ sư phải tạo ra được một loại dây dẫn đặc biệt có thể duy trì plasmon bề mặt mà không cần đến hệ thống làm mát.

Các nghiên cứu nói trên đang được tiến hành "thuận buồm xuôi gió". Một báo cáo mới đây của Viện Vật lý và Công nghệ Moscow đã chỉ ra rằng, nếu thiết kế được một hệ thống làm mát đủ tốt từ các công nghệ làm mát hiện có, dây đồng bơm plasmon động hoàn toàn có thể "chuyên chở" được các plasmon tốc độ cao, đồng thời lại tiêu tán được nhiệt lượng, giúp chúng ta xây dựng được một thiết bị tính toán quang tử. Điều này có nghĩa là khi các máy tính trở nên phức tạp hơn, được bổ sung thêm nhiều nhân hơn, chúng ta hoàn toàn có thể nhận được một tốc độ xử lý nhanh như mong muốn.

Một hệ thống tản nhiệt phức tạp như thế này có thể giải quyết một trong những trở ngại lớn nhất trong việc tạo ra máy tính quang tử .

Một hệ thống tản nhiệt phức tạp như thế này có thể giải quyết một trong những trở ngại lớn nhất trong việc tạo ra máy tính quang tử .

Tất nhiên, ý tưởng về máy tính quang tử không giới hạn ở việc tạo ra sự liên lạc với tốc độ ánh sáng giữa các nhân vi xử lý được tạo thành từ các transistor điện tử. Nó sẽ tốn thời gian và năng lượng để chuyển đổi tín hiệu từ quang tử sang điện tử và ngược lại. Nếu chúng ta tạo ra được các transistor quang học thì sẽ nâng băng thông lên đáng kể so với transistor điện tử. Điều này yêu cầu chúng ta phải có những đột phá mới trong nghiên cứu. Các nhà khoa học hiện nay đang tìm kiếm một loại vật liệu có giá thành rẻ, có khả năng thực hiện chính xác việc phân cực tín hiệu ánh sáng. Graphen và ống nano carbon sẽ rất hữu ích cho việc chế tạo linh kiện tính toán quang học, vì chúng có thể vận chuyển plasmon bề mặt và giúp cho quang tử có thể hoạt động trong kích thước nano.

Một máy tính quang tử đầy đủ sẽ ưu việt hơn nhiều so với máy tính lai giữa điện tử và quang học, vốn sử dụng công nghệ quang để truyền dữ liệu giữa các nhân điện tử. Một khi chúng ta tạo ra được máy tính quang tử, chúng ta có thể khởi động lại định luật Moore. (Định luật Moore phát biểu rằng số lượng transistor trong mỗi inch vuông bán dẫn sẽ tăng gấp đôi sau mỗi năm). Với máy tính quang tử, sức mạnh tính toán sẽ được tăng lên theo cấp số mũ.