Nghiên cứu tại Caltech tạo mảng lượng tử kỷ lục 6.100 nguyên tử trung tính, sử dụng 12.000 “nhíp laser” giữ qubit siêu vị trí. Thời gian coherency tăng từ vài giây lên 12,6 giây với độ chính xác 99,98%. Hệ thống hoạt động ở nhiệt độ phòng.
Điểm nổi bật:
- Caltech đã đồng bộ hóa 6.100 nguyên tử trung tính thành mảng lượng tử lớn nhất từng được tạo ra.
- Thời gian duy trì trạng thái siêu vị trí coherency được kéo dài từ vài giây lên 12,6 giây.
- Hệ thống nguyên tử trung tính hoạt động ở nhiệt độ phòng, không cần làm lạnh đến gần không độ tuyệt đối.
- Các kỹ thuật tối ưu hóa đã cải thiện độ chính xác lên 99,98% và mở rộng quy mô từ vài trăm lên hơn 6.000 qubit.
- Bước kế tiếp là liên kết nguyên tử qua vướng víu để phát triển tính toán lượng tử có sửa lỗi.
(Credit ảnh: Baac3nes/Getty Images)
Các nhà khoa học tại Caltech đã thực hiện một thí nghiệm phá kỷ lục khi đồng bộ hóa 6.100 nguyên tử trong một mảng lượng tử. Nghiên cứu này có thể dẫn đến máy tính lượng tử mạnh mẽ hơn và khả năng chịu lỗi cao hơn.
Trong thí nghiệm, họ sử dụng các nguyên tử trung tính ghép đôi làm các quantum bits (qubit) và giữ chúng ở trạng thái “siêu vị trí” để thực hiện tính toán lượng tử. Để đạt được điều này, các nhà khoa học đã tách một chùm tia laser thành 12.000 “nhíp laser” đồng thời giữ 6.100 qubit.
Nghiên cứu mới được công bố ngày 24 tháng 9 trên tạp chí Nature đã không chỉ thiết lập kỷ lục số lượng qubit nguyên tử trong một mảng duy nhất, mà còn kéo dài thời gian duy trì coherency. Thời gian sẵn sàng cho tính toán hoặc kiểm tra lỗi được nâng từ vài giây lên 12,6 giây.
Nghiên cứu này đánh dấu bước tiến quan trọng hướng đến các máy tính lượng tử quy mô lớn có khả năng vượt trội so với các siêu máy tính hiện nay. Các nhà khoa học cho biết kiến trúc nguyên tử trung tính sẽ là nền tảng cho các máy tính lượng tử có hàng triệu qubit.
Loại qubit này có ưu điểm hoạt động ở nhiệt độ phòng. Ngược lại, các qubit làm từ kim loại siêu dẫn thường cần hệ thống làm lạnh xuống gần không độ tuyệt đối.
Con đường đến lợi thế lượng tử
Theo quan điểm chung, việc phát triển máy tính lượng tử hữu ích sẽ đòi hỏi hệ thống có hàng triệu qubit, bởi mỗi qubit chức năng cần nhiều qubit sửa lỗi bổ sung để đảm bảo tính chịu lỗi.
Qubit vốn dễ bị nhiễu và mất độ kết hợp khi gặp yếu tố bên ngoài. Khi dữ liệu di chuyển qua mạch lượng tử, quá trình decoherence sẽ làm biến dạng thông tin, khiến dữ liệu không thể sử dụng. Các nhà khoa học phải phát triển kỹ thuật chịu lỗi song song với việc mở rộng quy mô qubit thông qua quantum error correction (QEC).
Nhiều hệ thống hiện nay được xem là chức năng, nhưng phần lớn không đủ ngưỡng so với siêu máy tính. Máy tính lượng tử do IBM, Google và Microsoft phát triển đã chứng minh lợi thế lượng tử trong các bài toán thiết kế riêng, nhưng chưa áp dụng vào các bài toán thực tiễn.
"Đây là thời khắc thú vị cho tính toán lượng tử nguyên tử trung tính," tác giả chính Manuel Endres, giáo sư vật lý tại Caltech, phát biểu. "Chúng tôi đã nhìn thấy lộ trình đến máy tính lượng tử sửa lỗi quy mô lớn. Các khối xây dựng đã sẵn sàng."
Các cải tiến đáng chú ý bao gồm tối ưu hóa để tăng khoảng 10 lần hiệu suất ở các khía cạnh như coherency, siêu vị trí và quy mô mảng. So với nỗ lực trước, quy mô đã mở rộng từ vài trăm qubit lên hơn 6.000 với độ chính xác 99,98%.
Nhóm nghiên cứu cũng giới thiệu kỹ thuật “dời mảng” (shuttling) bằng cách di chuyển nguyên tử hàng trăm micromét mà không mất siêu vị trí, mở ra cơ hội sửa lỗi tức thì ở cấp độ nguyên tử.
Bước tiếp theo của nhóm là liên kết nguyên tử trong mảng thông qua vướng víu (entanglement) để thực hiện đầy đủ các phép tính lượng tử. Các kỹ thuật này được kỳ vọng là then chốt để đạt được máy tính lượng tử chịu lỗi hoàn chỉnh.
