Hai nghiên cứu độc lập được công bố trên tạp chí Nature ngày 29/7 cho thấy chip lượng tử silicon đã có thể thực hiện những phép toán cơ bản – điều kiện tiên quyết để xây dựng máy tính lượng tử. Bước tiến này được giới khoa học đánh giá là cột mốc quan trọng, mở đường cho việc sản xuất chip lượng tử trên nền vật liệu silicon quen thuộc, giống cách ngành công nghiệp bán dẫn đã làm với chip máy tính truyền thống.
Để máy tính lượng tử có thể được sử dụng trong môi trường thương mại, chip xử lý cần chứa một số lượng lớn qubit – đơn vị thông tin lượng tử, tương tự bit trong máy tính cổ điển nhưng có thể tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái. Qubit silicon thuần trao đổi (silicon-based pure-exchange qubit) là một trong những ứng viên được kỳ vọng nhất nhờ khả năng sản xuất hàng loạt và tích hợp cao. Tuy nhiên, các phiên bản hiện tại vẫn phải kết nối với hệ thống điện tử bên ngoài bằng một lượng lớn dây dẫn. Quá trình này sinh nhiệt, và nhiệt độ cao có thể phá huỷ trạng thái lượng tử mong manh của qubit, khiến thông tin lưu trữ bị mất.
HRL Laboratories tích hợp bộ điều khiển vào cùng nền tảng silicon
Nhóm nghiên cứu lượng tử tại HRL Laboratories (Mỹ) cùng các cộng sự đã giải quyết vấn đề này bằng cách tích hợp hệ thống điều khiển điện tử ngay trên cùng một nền tảng với bộ xử lý lượng tử silicon, thay vì để riêng như trước. Toàn bộ hệ thống được duy trì ở nhiệt độ cực thấp (cryogenic), tương tự môi trường hoạt động của máy tính lượng tử. Việc này làm giảm lượng nhiệt truyền từ linh kiện điều khiển sang qubit, giúp hệ thống thực hiện các vòng sửa lỗi lặp lại ngay trong khi tính toán.
Trong thử nghiệm, nhóm sử dụng bộ xử lý có khả năng chứa tối đa 18 qubit và đã quan sát thấy giao thức sửa lỗi lượng tử hoạt động hiệu quả trên 7 qubit. Đây là minh chứng cho thấy việc tích hợp bộ điều khiển có thể giúp silicon vượt qua rào cản nhiệt độ, một trong những trở ngại lớn nhất trên con đường thương mại hóa.
Đại học Công nghệ Delft dùng qubit di động để tạo tương tác tầm xa
Nghiên cứu độc lập thứ hai đến từ Đại học Công nghệ Delft (Hà Lan) lại đi theo hướng khác: sử dụng một qubit di động làm “cầu nối” để các qubit đặt xa nhau có thể tương tác. Cụ thể, hệ thống gửi một qubit di động qua lại giữa 4 qubit cố định, giúp chúng trao đổi thông tin mà không cần đến hệ thống dây dẫn phức tạp.
Con chip này đã thực hiện thành công phép đo kiểm tra chẵn lẻ đa qubit (multi-qubit parity-check) – một quy trình thiết yếu trong sửa lỗi lượng tử. Kết quả chứng minh rằng việc dùng qubit di động có thể cải thiện kết nối tầm xa bên trong chip, giảm bớt độ phức tạp khi tăng số qubit, mở ra một cách tiếp cận mới để mở rộng quy mô hệ thống lượng tử.
| Đặc điểm | Nghiên cứu 1 | Nghiên cứu 2 |
|---|---|---|
| Đơn vị thực hiện | HRL Laboratories (Mỹ) | Đại học Công nghệ Delft (Hà Lan) |
| Giải pháp | Tích hợp bộ điều khiển vào nền silicon | Dùng qubit di động để kết nối qubit tĩnh |
| Số qubit | 18 qubit, sửa lỗi trên 7 qubit | 4 qubit cố định + 1 qubit di động |
Chip lượng tử silicon liệu có theo kịp bán dẫn truyền thống?
Trong một bài viết “News & Views” đăng kèm trên Nature, tiến sĩ Natalia Ares đến từ Đại học Oxford (Anh) nhận định: việc chip lượng tử silicon có thể tái lập sự thăng tiến như chip bán dẫn truyền thống hay không vẫn còn là ẩn số. Nhưng bà nhấn mạnh hai nghiên cứu này “làm nổi bật thách thức của việc tạo ra máy tính lượng tử thực dụng – vừa là bài toán kỹ thuật, vừa là bài toán vật lý – đồng thời cho thấy mục tiêu này đang tiến tới ứng dụng thực tế nhanh đến mức nào”.
Những kết quả này cho thấy tham vọng đưa silicon lên vị trí trung tâm trong điện toán lượng tử đang tiến triển nhanh hơn dự đoán, và nếu thành công, chi phí chế tạo máy tính lượng tử có thể giảm mạnh nhờ tận dụng hạ tầng sản xuất bán dẫn hiện có.
Theo Science and Technology Daily
Ảnh: Nic Wood / Pexels
