Kỷ nguyên lưu trữ lượng tử sắp đến với công nghệ "bẫy" electron: Lưu hàng trăm TB dữ liệu chỉ trong tinh thể tí hon nhỏ hơn đầu ngón tay

[Khánh Vân]

Những điểm chính:

• Các nhà khoa học đã tìm ra phương pháp lưu trữ dữ liệu mới, lấy cảm hứng từ kỹ thuật lượng tử.
• Công nghệ này sử dụng tia laser để "bẫy" electron vào các khuyết tật trong tinh thể, biểu thị các bit dữ liệu 0 và 1.
• Vật liệu được sử dụng là tinh thể oxit yttri pha thêm nguyên tố đất hiếm praseodymium (có thể thay thế bằng các tinh thể khác).
• Trong thử nghiệm, một tinh thể 40 mm³ có thể lưu trữ tới 260 terabyte dữ liệu.
• Công nghệ này có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cả điện toán lượng tử và lưu trữ dữ liệu dung lượng cực lớn.

Các nhà khoa học vừa đạt được một bước tiến đột phá trong lĩnh vực lưu trữ dữ liệu, mở ra khả năng lưu trữ một lượng thông tin khổng lồ trên một tinh thể cực nhỏ, chỉ vài milimet. Công nghệ này, lấy cảm hứng từ kỹ thuật lượng tử, hứa hẹn sẽ thay đổi cách chúng ta lưu trữ và sử dụng dữ liệu trong tương lai.

Ý tưởng từ vật lý lượng tử, ứng dụng cho lưu trữ cổ điển

Ý tưởng về việc mã hóa dữ liệu thành các bit nhị phân 0 và 1 đã có từ lâu, và được sử dụng trong nhiều loại thiết bị lưu trữ, từ bóng đèn chân không, transistor, đến đĩa CD. Tuy nhiên, khi nhu cầu lưu trữ dữ liệu ngày càng tăng, các nhà khoa học đã tìm đến thế giới hạ nguyên tử để tìm kiếm các giải pháp mới.

Tiến sĩ Leonardo França, tác giả chính của nghiên cứu (được đăng trên tạp chí Nanophotonics vào ngày 14/2/2025) và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Chicago, cho biết công trình này lấy cảm hứng từ kỹ thuật lượng tử, nhưng vẫn xây dựng bộ nhớ theo hướng của điện toán cổ điển.

Cụ thể, các nhà nghiên cứu đã tích hợp kiến thức vật lý trạng thái rắn (vốn được ứng dụng trong đo đạc bức xạ) với các kỹ thuật từ nhóm nghiên cứu chuyên về lưu trữ lượng tử.

Cách thức hoạt động: 'Bẫy' electron bằng laser

Công nghệ lưu trữ mới này hoạt động dựa trên nguyên tắc sau:

1. Tạo khuyết tật: Các nhà khoa học tạo ra các khuyết tật (lỗi) trong cấu trúc tinh thể.
2. Chiếu laser: Sử dụng tia laser chiếu vào tinh thể, cung cấp năng lượng để giải phóng electron khỏi một ion đất hiếm.
3. 'Bẫy' electron: Electron bị "bắt giữ" tại vị trí khuyết tật gần đó, giống như một cái "hố" trên đĩa CD. Việc có electron bị "bẫy" tương ứng với bit dữ liệu 1, còn không có electron là bit 0.
4. Đọc dữ liệu: Sử dụng một nguồn ánh sáng khác để kích thích electron thoát ra khỏi vị trí "bẫy". Quá trình này khiến electron kết hợp lại với ion đất hiếm ban đầu và phát ra ánh sáng, cho phép đọc thông tin.

Nếu sử dụng ánh sáng cường độ cao để đọc, dữ liệu sẽ bị xóa. Tuy nhiên, nếu dùng ánh sáng yếu hơn, dữ liệu sẽ chỉ "mờ dần" theo thời gian, tương tự như dữ liệu trên băng từ.

Vật liệu: Tinh thể oxit yttri pha tạp praseodymium

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã sử dụng tinh thể oxit yttri pha thêm nguyên tố đất hiếm praseodymium. Tuy nhiên, họ khẳng định công nghệ này có thể áp dụng cho các loại tinh thể khác, không nhất thiết phải chứa đất hiếm, miễn là chúng có các khuyết tật cần thiết.

Nguyên tố đất hiếm có ưu điểm là có bước sóng đặc trưng, dễ dàng kích hoạt electron bằng các loại laser thông dụng.

Tiềm năng ứng dụng: Điện toán lượng tử và lưu trữ dữ liệu 'khủng'

Ban đầu, mục tiêu của nhóm nghiên cứu là điều khiển từng nguyên tử riêng lẻ. Mặc dù chưa đạt được mục tiêu này, nhưng tiến sĩ França tin rằng phương pháp mới đã đặt nền móng quan trọng để tiến xa hơn.

Công nghệ này có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực:

• Điện toán lượng tử: Kéo dài thời gian lưu trữ ánh sáng có thể giúp tạo ra bộ nhớ lượng tử hiệu suất cao, cải thiện khả năng xử lý và trao đổi thông tin trong các hệ thống lượng tử.
• Lưu trữ dữ liệu: Tạo ra các thiết bị lưu trữ có mật độ cực cao, chi phí thấp.

Tiến sĩ França ước tính, trong tinh thể thử nghiệm (thể tích khoảng 40 mm³), nhóm đã lưu trữ được khoảng 260 terabyte dữ liệu. Nếu tăng mật độ các vị trí lỗi trên tinh thể, hoàn toàn có thể tạo ra những thiết bị lưu trữ siêu nhỏ nhưng chứa đến hàng petabyte (1 petabyte = 1.000 terabyte) thông tin.

Điểm hấp dẫn của công nghệ này là khả năng mở rộng quy mô dễ dàng. Công nghệ laser dùng để đọc và ghi dữ liệu đã phổ biến và có giá thành rẻ. Việc sản ********* thể cũng không quá tốn kém.

Thách thức lớn nhất hiện nay là chi phí thu mua nguyên tố đất hiếm và tìm cách tạo ra các khuyết tật trên tinh thể ở quy mô công nghiệp.

Công nghệ lưu trữ dữ liệu mới, lấy cảm hứng từ kỹ thuật lượng tử, hứa hẹn sẽ mang đến một cuộc cách mạng trong lĩnh vực lưu trữ thông tin. Nếu vượt qua được các thách thức về chi phí và sản xuất, chúng ta có thể sớm thấy những thiết bị lưu trữ siêu nhỏ, siêu dung lượng, thay đổi cách chúng ta lưu trữ và sử dụng dữ liệu.