Con đường đến máy tính lượng tử quy mô đầy đủ, chỉ với tinh thể đơn giản

Bình luận Ánh Dương • 09:15, 19/08/21

Giúp NTDVN sửa lỗi

Các bộ xử lý lượng tử hiện tại có quy mô tương đối nhỏ, với ít hơn 100 qubit và cần được làm mát đến nhiệt độ gần -273 ℃. Nghiên cứu mới nhằm giải quyết vấn đề cốt lõi để mở rộng máy tính lượng tử: kiểm soát hàng triệu qubit trong môi trường tự nhiên. 

Phát triển vaccine và thuốc, trí tuệ nhân tạo, vận tải và hậu cần, khoa học khí hậu - tất cả đều là những lĩnh vực có thể biến đổi cực kỳ lớn nhờ sự phát triển của máy tính lượng tử quy mô đầy đủ. Đầu tư vào phát triển máy tính lượng tử đã có sự tăng trưởng bùng nổ trong thập kỷ qua.

Tuy nhiên, các bộ xử lý lượng tử hiện tại có quy mô tương đối nhỏ, với ít hơn 100 qubit - các khối xây dựng cơ bản của một máy tính lượng tử. Bit là đơn vị thông tin nhỏ nhất trong máy tính và thuật ngữ qubit bắt nguồn từ "bit lượng tử".

Trong khi các bộ xử lý lượng tử ban đầu đóng vai trò quan trọng trong việc chứng minh tiềm năng của điện toán lượng tử, việc thực hiện các ứng dụng quan trọng bao trùm có thể sẽ yêu cầu các bộ xử lý có khối lượng lên đến một triệu qubit.

Nghiên cứu mới của chúng tôi giải quyết một vấn đề cốt lõi tại trung tâm để mở rộng máy tính lượng tử: làm thế nào để chúng ta đi từ việc kiểm soát chỉ một vài qubit sang kiểm soát hàng triệu? Trong nghiên cứu được công bố ngày 13/8 trên tạp chí Science Advances, chúng tôi đề xuất một công nghệ mới có thể đưa ra giải pháp.

Chính xác thì máy tính lượng tử là gì?

Máy tính lượng tử sử dụng qubit để lưu giữ và xử lý thông tin lượng tử. Không giống như các bit thông tin trong máy tính cổ điển, qubit sử dụng các thuộc tính lượng tử của tự nhiên, được gọi là "chồng chất lượng tử" (superposition) và "vướng víu lượng tử" (entanglement), để thực hiện một số phép tính nhanh hơn nhiều so với các công nghệ cổ điển.

Không giống như một bit cổ điển, được biểu diễn bằng 0 hoặc 1, một qubit có thể tồn tại ở cả hai trạng thái (nghĩa là, 0 và 1) cùng một lúc. Đây là những gì chúng ta gọi là trạng thái chồng chất lượng tử.

Các minh chứng của Google và những hãng khác đã cho thấy ngay cả những máy tính lượng tử giai đoạn đầu hiện tại cũng có thể hoạt động tốt hơn những siêu máy tính mạnh nhất trên hành tinh cho một nhiệm vụ chuyên biệt cao (mặc dù không đặc biệt hữu ích) - đạt đến một cột mốc mà chúng ta gọi là siêu máy tính lượng tử.

Máy tính lượng tử của Google, được chế tạo từ các mạch điện siêu dẫn, chỉ có 53 qubit và được làm mát đến nhiệt độ gần -273 ℃ trong tủ bảo quản lạnh công nghệ cao. Nhiệt độ khắc nghiệt này là cần thiết để loại bỏ nhiệt, có thể gây ra lỗi cho các qubit mỏng manh. Mặc dù những chứng minh lượng tử như vậy là quan trọng, nhưng thách thức hiện nay là xây dựng bộ xử lý lượng tử với nhiều qubit hơn.

Những nỗ lực lớn đang được tiến hành tại Đại học New South Wales, Sydney, Úc để tạo ra máy tính lượng tử từ cùng một vật liệu được sử dụng trong chip máy tính hàng ngày: silicon. Một con chip silicon thông thường có kích thước thu nhỏ có thể gói vài tỷ bit, vì vậy triển vọng sử dụng công nghệ này để xây dựng một máy tính lượng tử là rất hấp dẫn.

Công nghệ điều khiển

Trong bộ xử lý lượng tử silicon, thông tin được lưu trữ trong các electron riêng lẻ, chúng được lưu trữ bên dưới các điện cực nhỏ trên bề mặt chip. Cụ thể, qubit được mã hóa thành momen spin của electron. Nó có thể được hình dung như một la bàn nhỏ bên trong electron. Kim của la bàn có thể chỉ về phía bắc hoặc nam, biểu thị trạng thái 0 và 1.

Để đặt một qubit ở trạng thái chồng chất lượng tử (cả 0 và 1), một phép toán xảy ra trong tất cả các phép tính lượng tử, một tín hiệu điều khiển phải được hướng đến qubit mong muốn. Đối với qubit trong silicon, tín hiệu điều khiển này ở dạng trường vi sóng, giống như tín hiệu được sử dụng để thực hiện các cuộc gọi điện thoại qua mạng 5G. Vi sóng tương tác với electron và tạo ra momen spin của nó (kim la bàn) quay.

Hiện tại, mỗi qubit yêu cầu trường điều khiển vi sóng riêng. Nó được đưa đến chip lượng tử thông qua một dây cáp chạy từ nhiệt độ phòng xuống đáy tủ bảo quản lạnh ở gần -273 ℃. Mỗi sợi cáp đều mang theo nhiệt, phải được tháo ra trước khi đến bộ xử lý lượng tử.

Ở mức khoảng 50 qubit, đây là mức tối tân nhất hiện nay, điều này khó nhưng có thể quản lý được. Công nghệ bảo quản lạnh hiện tại có thể đối phó với tải nhiệt của cáp truyền tải. Tuy nhiên, nó là một trở ngại lớn nếu chúng ta sử dụng các hệ thống có một triệu qubit trở lên.

Giải pháp là kiểm soát 'bao trùm'

Một giải pháp thanh lịch cho thách thức làm thế nào để truyền tín hiệu điều khiển tới hàng triệu qubit spin đã được đề xuất vào cuối những năm 1990. Ý tưởng về “điều khiển bao trùm” rất đơn giản: phát một trường điều khiển vi sóng duy nhất trên toàn bộ bộ xử lý lượng tử.

Xung điện áp có thể được áp dụng cục bộ cho các điện cực qubit để làm cho các qubit riêng lẻ tương tác với trường bao trùm (và tạo ra trạng thái chồng chất).

Việc tạo các xung điện áp như vậy trên chip dễ dàng hơn nhiều so với việc tạo nhiều trường vi ba. Giải pháp chỉ yêu cầu một cáp điều khiển duy nhất và loại bỏ mạch điều khiển vi sóng trên chip.

Trong hơn hai thập kỷ, việc kiểm soát bao trùm trong máy tính lượng tử vẫn là một ý tưởng. Các nhà nghiên cứu không thể nghĩ ra một công nghệ phù hợp có thể tích hợp với chip lượng tử và tạo ra trường vi sóng ở công suất thấp thích hợp.

Trong công trình nghiên cứu của mình, chúng tôi chỉ ra rằng một thành phần được gọi là bộ cộng hưởng điện môi cuối cùng cũng có thể cho phép điều này. Bộ cộng hưởng điện môi là một tinh thể nhỏ, trong suốt, giữ vi sóng trong một khoảng thời gian ngắn.

Hình minh họa bộ cộng hưởng điện môi tinh thể tạo ra trường điều khiển bao trùm trong bộ xử lý lượng tử spin. (Ảnh: Tony Melov)
Hình minh họa bộ cộng hưởng điện môi tinh thể tạo ra trường điều khiển bao trùm trong bộ xử lý lượng tử spin. (Ảnh: Tony Melov)

Việc giữ vi sóng, một hiện tượng được gọi là cộng hưởng, cho phép chúng tương tác với các spin qubit lâu hơn và làm giảm đáng kể công suất của vi sóng cần thiết để tạo ra trường điều khiển. Điều này rất quan trọng để vận hành công nghệ bên trong tủ bảo quản lạnh.

Trong thí nghiệm của mình, chúng tôi đã sử dụng bộ cộng hưởng điện môi để tạo ra trường điều khiển trên một khu vực có thể chứa tới bốn triệu qubit. Con chip lượng tử được sử dụng trong thí nghiệm này là một thiết bị có hai qubit. Chúng tôi đã có thể cho thấy vi sóng được tạo ra bởi tinh thể có thể lật trạng thái spin của mỗi vi sóng.

Con đường đến máy tính lượng tử quy mô đầy đủ

Vẫn còn nhiều việc phải làm trước khi công nghệ này hoàn thành nhiệm vụ kiểm soát một triệu qubit. Đối với nghiên cứu của mình, chúng tôi đã xoay chuyển trạng thái của các qubit, nhưng chưa tạo ra các trạng thái chồng chất theo ý muốn.

Các thử nghiệm đang diễn ra để chứng minh khả năng quan trọng này. Chúng tôi cũng sẽ cần nghiên cứu thêm về tác động của bộ cộng hưởng điện môi đối với các khía cạnh khác của bộ xử lý lượng tử.

Điều đó nói rằng, chúng tôi tin rằng những thách thức kỹ thuật này cuối cùng sẽ có thể vượt qua - giải quyết một trong những trở ngại lớn nhất để hiện thực hóa một máy tính lượng tử dựa trên spin quy mô lớn.

Các tác giả: Jarryd Pla - Giảng viên cao cấp về Kỹ thuật lượng tử và Andrew Dzurak - Giáo sư Scientia về Kỹ thuật lượng tử, Đại học New South Wales

Theo The Conversation

Khoa học Công nghệ


BÀI CHỌN LỌC

Con đường đến máy tính lượng tử quy mô đầy đủ, chỉ với tinh thể đơn giản