Một nhóm các nhà vật lý từ Trung tâm Nguyên tử Siêu lạnh Harvard-MIT đã phát triển một loại máy tính lượng tử đặc biệt được gọi là trình mô phỏng lượng tử có thể lập trình có khả năng hoạt động với số lượng 256 “qubit”, hay bit lượng tử. Đây là số qubit lớn nhất từ trước đến nay mà các nhà khoa học đạt được.
Hệ thống đánh dấu một bước quan trọng trong việc xây dựng các cỗ máy lượng tử quy mô lớn có thể được sử dụng để làm sáng tỏ một loạt các quá trình lượng tử phức tạp và cuối cùng giúp mang lại những đột phá trong khoa học vật liệu, công nghệ truyền thông, tài chính và nhiều lĩnh vực khác, vượt qua các rào cản nghiên cứu vượt quá khả năng của cả những siêu máy tính nhanh nhất hiện nay. Qubit là nền tảng cơ bản mà máy tính lượng tử chạy trên đó và là nguồn gốc của sức mạnh xử lý khổng lồ của chúng.
Mikhail Lukin, Giáo sư Vật lý George Vasmer Leverett, đồng giám đốc Sáng kiến Lượng tử Harvard, và một trong những tác giả cao cấp của nghiên cứu được xuất bản trên tạp chí Nature cho rằng nghiên cứu đột phá này chuyển lĩnh vực tính toán lượng tử sang một trang mới mà chưa từng có ai đặt chân đến.
Ông nói thêm: “Chúng ta đang bước vào một phần hoàn toàn mới của thế giới lượng tử”.
Theo Sepehr Ebadi, một sinh viên vật lý tại Trường Khoa học và Nghệ thuật Sau đại học và là tác giả chính của nghiên cứu, chính sự kết hợp giữa kích thước chưa từng có và khả năng lập trình của hệ thống đã đặt nó ở vị trí tân tiến nhất trong cuộc đua cho một máy tính lượng tử, khai thác đặc tính bí ẩn của vật chất ở quy mô cực nhỏ để nâng cao sức mạnh xử lý. Trong những trường hợp thích hợp, sự gia tăng qubit có nghĩa là hệ thống có thể lưu trữ và xử lý thông tin theo cấp số nhân nhiều hơn so với các bit cổ điển mà máy tính tiêu chuẩn chạy trên đó.
Ebadi giải thích về kích thước khổng lồ của hệ thống: "Số lượng trạng thái lượng tử có thể có với chỉ 256 qubit đã vượt quá số nguyên tử trong hệ mặt trời".
Hiện tại, trình mô phỏng đã cho phép các nhà nghiên cứu quan sát một số trạng thái lượng tử kỳ lạ của vật chất chưa từng được thực nghiệm trước đây và thực hiện một nghiên cứu chuyển pha lượng tử chính xác đến mức nó dùng làm ví dụ sách giáo khoa về cách hoạt động của từ tính ở cấp độ lượng tử.
Những thí nghiệm này cung cấp những hiểu biết sâu sắc về các thuộc tính vật lý cơ bản của vật lý lượng tử và có thể giúp chỉ cho các nhà khoa học cách thiết kế vật liệu mới với các đặc tính kỳ lạ.
Dự án sử dụng phiên bản nâng cấp đáng kể của nền tảng mà các nhà nghiên cứu đã phát triển vào năm 2017, có khả năng đạt kích thước 51 qubit. Hệ thống cũ hơn đó cho phép các nhà nghiên cứu bắt giữ các nguyên tử Rubidi cực lạnh và sắp xếp chúng theo một trật tự cụ thể bằng cách sử dụng một mảng một chiều gồm các chùm tia laser hội tụ riêng lẻ được gọi là nhíp quang học .
Hệ thống mới này cho phép các nguyên tử được lắp ráp trong các mảng hai chiều của nhíp quang học. Điều này làm tăng kích thước hệ thống có thể đạt được từ 51 lên 256 qubit. Sử dụng nhíp, các nhà nghiên cứu có thể sắp xếp các nguyên tử theo các mẫu không có khuyết tật và tạo ra các hình dạng có thể lập trình được như mạng hình vuông, tổ ong hoặc tam giác để tạo ra các tương tác khác nhau giữa các qubit.
Ebadi cho biết: “Công cụ chính của nền tảng mới này là một thiết bị được gọi là bộ điều biến ánh sáng không gian, được sử dụng để định hình một mặt sóng quang học để tạo ra hàng trăm chùm tia nhíp quang tập trung riêng lẻ. Những thiết bị này về cơ bản giống với những gì được sử dụng bên trong máy chiếu máy tính để hiển thị hình ảnh trên màn hình, nhưng chúng tôi đã điều chỉnh chúng để trở thành một thành phần quan trọng của trình mô phỏng lượng tử của chúng tôi”.
Việc truyền tải ban đầu của các nguyên tử vào nhíp quang học là ngẫu nhiên, và các nhà nghiên cứu phải di chuyển các nguyên tử xung quanh để sắp xếp chúng thành những hình dạng mục tiêu. Các nhà nghiên cứu sử dụng một bộ nhíp quang học chuyển động thứ hai để kéo các nguyên tử đến vị trí mong muốn của chúng, loại bỏ sự ngẫu nhiên ban đầu. Laser cung cấp cho các nhà nghiên cứu quyền kiểm soát hoàn toàn vị trí của các qubit nguyên tử và thao tác lượng tử nhất quán của chúng.
Các tác giả cao cấp khác của nghiên cứu bao gồm các Giáo sư Harvard Subir Sachdev và Markus Greiner, người đã làm việc trong dự án cùng với Giáo sư Vladan Vuletić của Viện Công nghệ Massachusetts, và các nhà khoa học từ Stanford, Đại học California Berkeley, Đại học Innsbruck ở Áo, Viện hàn lâm Khoa học Áo và QuEra Computing Inc. ở Boston.
"Công việc của chúng tôi là một phần của cuộc chạy đua toàn cầu thực sự khốc liệt, với tầm nhìn xa nhằm xây dựng các máy tính lượng tử lớn hơn và tốt hơn", Tout Wang, cộng sự nghiên cứu vật lý tại Harvard và là một trong những tác giả của bài báo cho biết. "Nỗ lực tổng thể [ngoài nỗ lực của chúng tôi] có sự tham gia của các tổ chức nghiên cứu hàn lâm hàng đầu và sự đầu tư lớn của khu vực tư nhân từ Google, IBM, Amazon và nhiều tổ chức khác”.
Các nhà nghiên cứu hiện đang làm việc để cải thiện hệ thống bằng cách cải thiện khả năng điều khiển laser trên qubit và làm cho hệ thống có thể lập trình tốt hơn. Họ cũng đang tích cực khám phá cách hệ thống có thể được sử dụng cho các ứng dụng mới, từ việc thăm dò các dạng vật chất lượng tử kỳ lạ đến giải quyết các vấn đề thách thức trong thế giới thực có thể được mã hóa tự nhiên trên các qubit.
Ebadi nói: “Công trình này tạo ra một số lượng lớn các hướng khoa học mới. Chúng tôi đang ở gần giới hạn của những gì có thể được thực hiện với các hệ thống này”.
Văn Thiện
