Các nhà vật lý phát triển máy tính lượng tử đặc biệt với 256 qubit

Đây là một bước tiến lớn trong lĩnh vực tính toán lượng tử, một nhóm các nhà vật lý từ Trung tâm Nguyên tử siêu lạnh Harvard-MIT và các trường đại học khác đã tạo ra một loại máy tính lượng tử đặc biệt. Hệ thống này được gọi là mô拟 lượng tử có thể lập trình, và nó có thể hoạt động với 256 bit lượng tử, hoặc “qubit”. Qubit là cơ bản cho hoạt động của máy tính lượng tử, và chúng là nguồn của sức mạnh xử lý của chúng.

Sự phát triển mới này đưa chúng ta gần hơn với việc đạt được máy móc lượng tử quy mô lớn, có thể được sử dụng để thu được thông tin sâu sắc về các quá trình lượng tử phức tạp. Chúng cũng có thể có những ý nghĩa quan trọng trong các lĩnh vực như khoa học vật liệu, công nghệ truyền thông, tài chính và nhiều lĩnh vực khác đang phải đối mặt với các rào cản trong nghiên cứu.

Nghiên cứu này đã được công bố vào ngày 9 tháng 7 trên Nature. 

Đẩy lĩnh vực tiến về phía trước

Mikhail Lukin là Giáo sư Vật lý George Vasmer Leverett và đồng giám đốc của Sáng kiến ​​Lượng tử Harvard. Ông cũng là một trong những tác giả cấp cao của nghiên cứu.

“Điều này di chuyển lĩnh vực vào một miền mới mà không ai từng đến trước đây,” Lukin nói. “Chúng tôi đang bước vào một phần hoàn toàn mới của thế giới lượng tử.”

Sepehr Ebadi là một sinh viên vật lý tại Trường Cao học Nghệ thuật và Khoa học và là tác giả chính của nghiên cứu.

Theo Ebadi, tính năng tuyệt vời nhất của hệ thống là kích thước và khả năng lập trình của nó, điều này làm cho nó trở thành một trong những hệ thống hàng đầu. Nó có thể khai thác các tính chất của vật chất ở quy mô cực nhỏ, cho phép nó nâng cao sức mạnh xử lý. Sự tăng lên của qubit có thể giúp hệ thống lưu trữ và xử lý nhiều thông tin hơn theo cấp số nhân so với bit cổ điển, mà máy tính tiêu chuẩn dựa vào.

“Số lượng trạng thái lượng tử có thể có với chỉ 256 qubit vượt quá số lượng nguyên tử trong hệ thống mặt trời,” Ebadi nói.

Mô拟 lượng tử đã cho phép các nhà nghiên cứu quan sát các trạng thái vật chất lượng tử kỳ lạ, cũng như thực hiện một nghiên cứu chuyển pha lượng tử, điều này cực kỳ chính xác và chứng minh cách từ tính hoạt động ở mức lượng tử.

Theo các nhà nghiên cứu, những thí nghiệm này có thể giúp các nhà khoa học học cách thiết kế các vật liệu mới với các tính chất kỳ lạ.

Hệ thống mới

Dự án này dựa trên một nền tảng được phát triển vào năm 2017 bởi các nhà nghiên cứu, nhưng nó đã được nâng cấp đáng kể lần này. Nó đã có khả năng đạt kích thước 51 qubit trong quá khứ, và nó cho phép các nhà nghiên cứu bắt các nguyên tử rubidium siêu lạnh và sắp xếp chúng theo một thứ tự cụ thể thông qua việc sử dụng một mảng một chiều của các chùm laser tập trung riêng lẻ. 

Hệ thống này cho phép các nguyên tử được lắp ráp thành các mảng hai chiều của các kẹp quang học, đó là tên của các chùm laser. Điều này cho phép kích thước hệ thống có thể đạt được tăng từ 51 lên 256 qubit. Các nhà nghiên cứu sau đó có thể sử dụng các kẹp để sắp xếp các nguyên tử thành các mẫu không có khuyết tật và tạo ra các hình dạng có thể lập trình, cho phép các tương tác khác nhau giữa các qubit.

“Con ngựa chiến của nền tảng mới này là một thiết bị gọi là bộ điều chỉnh ánh sáng không gian, được sử dụng để định hình một mặt sóng ánh sáng để tạo ra hàng trăm chùm laser kẹp quang học tập trung riêng lẻ,” Ebadi nói. “Những thiết bị này cơ bản là giống như những gì được sử dụng bên trong một máy chiếu máy tính để hiển thị hình ảnh trên màn hình, nhưng chúng tôi đã thích nghi chúng để trở thành một thành phần quan trọng của mô拟 lượng tử của chúng tôi.”

Các nguyên tử đầu tiên được tải vào các kẹp quang học một cách ngẫu nhiên trước khi các nhà nghiên cứu di chuyển các nguyên tử xung quanh và sắp xếp chúng theo các hình học mục tiêu. Một bộ thứ hai của các kẹp quang học di chuyển được sử dụng để kéo các nguyên tử đến các vị trí mong muốn, điều này loại bỏ sự ngẫu nhiên ban đầu. Các laser cho phép các nhà nghiên cứu kiểm soát hoàn toàn vị trí của các qubit nguyên tử và sự điều khiển lượng tử nhất quán của chúng.

Tout Wang là một nghiên cứu viên vật lý tại Harvard và là một trong những tác giả của bài báo.

“Công việc của chúng tôi là một phần của một cuộc đua toàn cầu cực kỳ gay gắt và có tầm nhìn cao để xây dựng máy tính lượng tử lớn hơn và tốt hơn,” Wang nói. “Nỗ lực tổng thể [beyond của chúng tôi] đã có các tổ chức nghiên cứu học thuật hàng đầu tham gia và đầu tư tư nhân lớn từ Google, IBM, Amazon và nhiều tổ chức khác.”

Đội ngũ hiện đang làm việc để cải thiện hệ thống bằng cách cải thiện kiểm soát laser đối với các qubit, cũng như làm cho hệ thống trở nên có thể lập trình hơn. Theo các nhà nghiên cứu, các ứng dụng có thể bao gồm việc thăm dò các dạng vật chất lượng tử kỳ lạ và giải quyết các vấn đề thực tế có thể được mã hóa tự nhiên trên các qubit.

“Công việc này cho phép một số lượng lớn các hướng khoa học mới,” Ebadi nói. “Chúng tôi vẫn chưa đạt đến giới hạn của những gì có thể được thực hiện với các hệ thống này.”