Đạt được đột phá trên con chip lượng tử nhỏ tựa vi khuẩn, các nhà nghiên cứu Đan Mạch tạo mốc son mới

“Để có được các vi xử lý mạnh mẽ, chúng ta không chỉ cần tăng số qubit, mà còn tăng số lệnh xử lý cùng một lúc, đó chính là những gì chúng tôi thực hiện”, giáo sư Kuemmeth, trưởng ban nghiên cứu dự án...

Các nhà vật lý học công tác tại Đại học Copenhagen vừa công bố thành tựu mới trong phát triển công nghệ lượng tử. Bằng việc cùng lúc vận hành một loạt các qubit đang trong trạng thái quay trên một con chip lượng tử, nhóm đã vượt qua trở ngại vốn ngăn cản siêu máy tính mạnh mẽ hơn nữa. Kết quả nghiên cứu mới cũng đã sử dụng thành công vật liệu bán dẫn, và làm nền móng kiến tạo máy tính lượng tử thể rắn.

Một trong những khó khăn lớn của việc chế tạo máy tính lượng tử thay thế được máy tính cổ điển là việc đồng thời kiểm soát các qubit - các đơn vị lưu trữ dữ liệu trong máy tính lượng tử. Khó khăn nằm ở việc kiểm soát các qubit, khi chính những hành động này lại có thể gây ảnh hưởng xấu lên việc kiểm soát qubit khác trong cùng hệ thống.

Trong đột phá mới, các nhà vật lý lượng tử trẻ công tác tại Viện Niels Bohr trực thuộc Đại học Copenhagen (UCPH) đã vượt qua được chướng ngại vật lớn.

Ngành nghiên cứu qubit toàn cầu ứng dụng nhiều công nghệ khác nhau. Trong khi Google và IBM sử dụng siêu dẫn trong thiết kế vi xử lý lượng tử, nhóm nghiên cứu tại UCPH lại sử dụng các qubit bán dẫn, hay còn gọi là các qubit xoay.

Hiểu theo nghĩa rộng, chúng chứa các electron đang xoay kẹt trong một cấu trúc bán dẫn cỡ nano có tên ‘chấm lượng tử’, mỗi trạng thái xoay riêng lẻ có thể được chi phối, được rối với những hạt khác”, nhà nghiên cứu Federico Fedele nhận định.

Lợi thế của các qubit xoay nằm tại khả năng duy trì trạng thái lượng tử trong thời gian dài, tạo tiềm năng cho phép hệ thống máy tính lượng tử vận hành nhanh hơn, đồng thời thực hiện các phép toán chính xác hơn. Bên cạnh đó, kích cỡ nhỏ cho phép các nhà nghiên cứu đưa nhiều qubit vào một con chip hơn, qua đó tăng sức xử lý của máy.

Trong thử nghiệm, nhóm UCPH đã đẩy được tới 4 qubit vào trong một con chip làm từ vật liệu bán dẫn gallium arsenide.

Hình mô phỏng 4 qubit trong con chip lượng tử.

Mạch điện đã trở thành trọng tâm chính

Cho tới giờ, ngành nghiên cứu công nghệ lượng tử vẫn tập trung vào việc sản xuất ra nhưng qubit ổn định hơn. Tuy nhiên, theo lời nhà nghiên cứu Anasua Chatterjee giải thích, giờ là lúc bắt đầu chuyển thêm nguồn lực sang nghiên cứu cách các qubit liên lạc với nhau:

Qubit của chúng ta đã khá tốt rồi, giờ là lúc kết nối chúng thành mạch để có thể vận hành một lúc nhiều qubit, cùng lúc đó phải để chúng đủ phức tạp để có thể sửa được những lỗi tính toán lượng tử. Cho tới nay, các nghiên cứu về qubit xoay đã tới được ngưỡng một mạch chứa 2x2 hoặc 3x3 qubit. Vấn đề ở chỗ, ta vẫn cứ điều khiển từng qubit một”.

Và đó là lúc một mạch bán dẫn làm từ gallium arsenide và có kích cỡ tương đương một con vi khuẩn làm nên điều khác biệt.

Điểm thực sự đặc biệt nơi con chip của chúng tôi nằm ở chỗ nó có thể đồng thời chi phối và đo đạc tất cả các qubit. Điều này chưa từng có tiền lệ trên qubit xoay hay bất cứ loại qubit nào khác”, nhà nghiên cứu Chatterjee nhận định. Nghiên cứu của nhóm đã được đăng tải trên tạp chí Physical Review X Quantum.

Việc vận hành và đo đạc được một lúc tất cả các qubit sẽ giúp cỗ máy tính của tương lai thực hiện được các phép toán lượng tử. Thông thường, nếu như ta đo đạc qubit ở bước cuối của phép toán - tức là phải dừng cả hệ thống để quan sát kết quả - trạng thái lượng tử mỏng manh sẽ lập tức tan rã. Đó là lý do giới khoa học tìm cách cùng lúc đo đạc tất cả các qubit, để trạng thái lượng tử của tất cả các qubit cùng tắt. Nếu đo đạc riêng lẻ, chỉ một tác động nhiễu loạn sẽ biến đổi toàn bộ thông tin lượng tử được lưu trên thiết bị.

Hình minh họa qubit, đơn vị lưu trữ của máy tính lượng tử.

Dấu mốc mới

Việc tạo ra một mạch lượng tử mới là dấu mốc quan trọng trong phát triển máy tính lượng tử bán dẫn.

Để có được các vi xử lý mạnh mẽ, chúng ta không chỉ cần tăng số qubit, mà còn tăng số lệnh xử lý cùng một lúc, đó chính là những gì chúng tôi thực hiện”, giáo sư Kuemmeth, trưởng ban nghiên cứu dự án mới tại UCPH, nhận định.

Theo lời giáo sư, ở thời điểm hiện tại, một trong những thử thách lớn nhất là việc chỉnh thủ công 48 điện cực của con chip. Chỉ có chuyên gia mới làm được công việc nặng nhọc này, là liên tục tinh chỉnh các điện cực sao cho phù hợp với điều kiện hoạt động của máy. Nhóm đang cố gắng viết ra thuật toán và ứng dụng machine learning nhằm tối ưu hóa công đoạn này.

Trong nỗ lực đưa thêm nhiều qubit vào chip, nhóm nghiên cứu cũng đã cộng tác với các doanh nghiệp khác nhằm tạo ra thế hệ chip lượng tử tiếp theo. Nỗ lực từ khoa học máy tính, kỹ thuật vi điện tử và vật lý lượng tử sẽ có thể đưa qubit xoay tới giới hạn tiếp theo.

Chia sẻ ngay: