Khoa học Nhật Bản sắp đột phá về máy tính lượng tử

[TinNhanh247]

Đây sẽ là một trong những nghiên cứu tiền đề "mở đường phát triển máy tính lượng tử quy mô lớn trong vòng một thập kỷ tới”. Trong tương lai, máy tính lượng tử sẽ vận hành với hiệu năng cao hơn máy tính truyền thống, nhưng đây vẫn chưa phải câu chuyện hiện tại. Với đột phá mới được thực hiện bởi các nhà vật lý học Nhật Bản, là lần đầu tiên đưa ba chấm lượng tử silicon vào trạng thái rối, ước mơ “ưu thế lượng tử” đã gần thêm một bước.

Máy tính lượng tử tận dụng những tương tác kỳ quái của thế giới hiển vi, chúng có thể lưu trữ và sử dụng đồng thời ba trạng thái dữ liệu (là 0; 1 và cùng lúc cả 0 và 1) để nhanh chóng thực hiện những phép toán phức tạp. Ta có thể chi phối những hạt vật chất này bằng nhiều cách, và phương pháp “rối lượng tử” là một trong những kỹ thuật giúp ta có được cỗ máy tính siêu việt.

Cổng hiển vi rối lượng tử với một chấm lượng tử khác, tạo ra một cặp 3 qubit rối với nhau.

Trạng thái rối lượng tử khiến cho hai hạt vật chất liên kết chặt chẽ, cho ra những kết quả đo đạc y như nhau dù cách xa nhau đến mấy. Nó khiến những thiên tài như Albert Einstein cũng phải ngạc nhiên tột độ, gọi nó là “hoạt động kỳ quái ở khoảng cách xa” và cho rằng đó là lý do lý thuyết về cơ học lượng tử vẫn chưa được thống nhất.

Trong máy tính lượng tử, rối lượng tử cho phép dữ liệu được truyền đi nhanh hơn, đồng thời cải thiện khả năng sửa lỗi dữ liệu. Qubit, đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử, thường rối với nhau theo cặp. Nhưng trong thử nghiệm mới, nhóm chuyên gia tại trung tâm nghiên cứu khoa học vật chất RIKEN đã thành công trong việc làm rối lượng tử ba qubit là ba hạt silicon lại với nhau.

Thí nghiệm mới sử dụng các qubit được làm từ những vòng silicon tí hon được gọi là các chấm lượng tử. Chúng là ứng cử viên hàng đầu trong chế tạo qubit cho máy tính lượng tử không chỉ vì silicon được dùng rộng rãi trong chế tác đồ điện tử, mà còn bởi vòng silicon hiển vi ổn định được lâu hơn, dễ điều khiển hơn, hoạt động ở một mức nhiệt độ khả thi hơn và có tiềm năng tăng quy mô tương đối dễ dàng.

Làm rối được ba qubit silicon lại là bước quan trọng để đạt được tất cả những điểm mạnh vừa nêu. Thí nghiệm của người Nhật sẽ vượt qua đột phá trước đây, là làm rối lượng tử được ba photon với nhau.

“Những câu lệnh dùng hai qubit là đã đủ để tiến hành các phép toán logic cơ bản. Nhưng một hệ thống ba qubit rối với nhau sẽ là đơn vị tối thiểu để ta có thể tăng quy mô hệ thống và ứng dụng khả năng sửa lỗi”, tác giả nghiên cứu Seigo Tarucha nói.

Nhóm làm nên đột phá, với tác giả nghiên cứu Seigo Tarucha đứng thứ hai từ phải sang.
Thiết bị mới được làm từ ba chấm lượng tử, điều khiển bởi một cổng hiển vi làm từ nhôm. Mỗi chấm lượng tử chứa duy nhất một electron, dùng để biểu thị các giá trị 0 và 1 trong hệ nhị phân khi chúng xoay theo những hướng nhất định. Bọc lấy tất cả chúng là một gradient từ trường tách biệt tần số của các qubit, cho phép các nhà khoa học đo đạc riêng lẻ từng qubit.

Để làm rối được 3 qubit, đội ngũ bắt đầu làm rối một cặp trước bằng một thiết bị máy tính lượng tử thông qua một cổng 2 qubit. Sau đó, họ làm rối lượng tử qubit thứ ba với chính cánh cổng. Kết quả là một dãy 3 qubit với độ chính xác lên tới 88%, tức là tỷ lệ qubit ở trạng thái “đúng” khi được đo đạc là rất cao.

Kỹ thuật rối lượng tử này sẽ được vận dụng hiệu quả trong thao tác sửa lỗi. Với máy tính lượng tử, các qubit có xu hướng mất trạng thái một cách ngẫu nhiên, khiến dữ liệu lưu trên chúng tiêu biến. Phương pháp sửa lỗi trên máy tính thông thường không ứng dụng được vào máy tính lượng tử. Mỗi một cơ quan nghiên cứu máy tính lượng tử sẽ dùng một kiểu sửa lỗi khác nhau, như một dàn các qubit tự theo dõi lẫn nhau hay sửa lỗi bằng các qubit không rối. Nhóm nghiên cứu Nhật sử dụng một bộ 3 qubit rối lượng tử với nhau.

“Chúng tôi dự định biểu diễn kỹ thuật sửa lỗi bằng thiết bị ba qubit, và để giả lập một thiết bị có số qubit bằng 10 hoặc hơn”, giáo sư Tarucha nói. “Tiếp đó sẽ là phát triển hệ thống từ 50 tới 100 qubit và ứng dụng những phương pháp sửa lỗi còn phức tạp hơn nữa, mở đường phát triển máy tính lượng tử quy mô lớn trong vòng một thập kỷ tới”.