Con chip lượng tử đổi mới vượt qua chướng ngại vật lớn trong lĩnh vực

Các nhà vật lý lượng tử tại Đại học Copenhagen đã đạt được một bước tiến lớn trong lĩnh vực công nghệ lượng tử, vượt qua một chướng ngại vật lớn. Đội ngũ đã vận hành đồng thời nhiều qubit spin trên cùng một con chip lượng tử, điều này sẽ giúp dẫn đến siêu máy tính.

Một trong những chướng ngại vật lớn nhất để đạt được một máy tính lượng tử lớn là kiểm soát nhiều thiết bị bộ nhớ cơ bản, hoặc qubit, đồng thời. Khi một qubit được kiểm soát, thường có một hiệu ứng tiêu cực do các xung kiểm soát đồng thời được áp dụng cho qubit khác.

Đội ngũ đã vượt qua thách thức này bao gồm một đôi nhà vật lý lượng tử tại Viện Niels Bohr của Đại học Copenhagen – sinh viên tiến sĩ và nghiên cứu sinh Frederico Fedele, và Giảng viên phụ tá Anasua Chatterjee. Hai người này đang làm việc trong nhóm của Giảng viên phụ tá Ferdinand Kuemmeth.

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Physical Review X Quantum.

Phương pháp mới với qubit spin

Trong khi các công ty như Google (GOOGL ) và IBM tập trung vào công nghệ siêu dẫn cho bộ xử lý lượng tử, nhóm nghiên cứu này đang tập trung vào qubit bán dẫn, hoặc qubit spin.

“Nói chung, chúng bao gồm các spin electron bị mắc kẹt trong các nano cấu trúc bán dẫn gọi là chấm lượng tử, để các trạng thái spin riêng lẻ có thể được kiểm soát và liên kết với nhau,” theo Fedele.

Qubit spin có thể duy trì trạng thái lượng tử trong thời gian dài, điều này có thể cho phép chúng thực hiện các tính toán nhanh hơn và chính xác hơn so với các nền tảng khác. Do kích thước nhỏ của chúng, nhiều qubit hơn có thể phù hợp trên một con chip so với các phương pháp qubit khác. Điều này quan trọng vì thực tế là nhiều qubit hơn dẫn đến sức mạnh xử lý máy tính lớn hơn.

Đội ngũ nghiên cứu đã có thể chế tạo và vận hành bốn qubit trong một mảng 2×2 trên một con chip.

Làm cho qubit giao tiếp

Theo Anasua Chatterjee, một trong những mục tiêu quan trọng nhất là làm cho qubit giao tiếp với nhau.

“Bây giờ chúng ta đã có một số qubit khá tốt, tên của trò chơi là kết nối chúng trong các mạch có thể vận hành nhiều qubit, đồng thời cũng đủ phức tạp để có thể sửa lỗi tính toán lượng tử,” Chatterjee nói. “Cho đến nay, nghiên cứu về qubit spin đã đạt đến điểm mà các mạch chứa mảng 2×2 hoặc 3×3 qubit. Vấn đề là qubit của chúng chỉ được xử lý một lần.”

Mạch lượng tử được phát triển bởi đội ngũ được làm từ chất bán dẫn gallium arsenide, và nó không lớn hơn kích thước của một vi khuẩn.

Chatterjee là một trong hai tác giả chính của nghiên cứu.

“Điều mới và thực sự quan trọng về con chip của chúng tôi là chúng tôi có thể vận hành và đo đồng thời tất cả qubit. Điều này chưa bao giờ được chứng minh trước đó với qubit spin — cũng như với nhiều loại qubit khác,” theo Chatterjee.

Để thực hiện các tính toán lượng tử, điều quan trọng là phải vận hành và đo đồng thời. Qubit rất nhạy cảm, và khi chúng được đo một lần, thậm chí một tiếng ồn nhỏ cũng có thể thay đổi thông tin lượng tử trong hệ thống.

“Để có được bộ xử lý lượng tử mạnh hơn, chúng ta phải không chỉ tăng số lượng qubit, mà còn tăng số lượng hoạt động đồng thời, điều mà chúng tôi đã làm,” theo Giáo sư Kuemmeth.

Một thách thức lớn khác là 48 điện cực kiểm soát của con chip phải được điều chỉnh thủ công, và chúng cần phải được giữ điều chỉnh liên tục. Đây là một nhiệm vụ tốn thời gian cho con người, vì vậy đội ngũ hiện đang tìm cách sử dụng các thuật toán tối ưu hóa và học máy để tự động hóa quá trình.