Các nhà vật lý tại Viện Công nghệ California (Caltech) đã tạo ra máy tính lượng tử nguyên tử trung hòa lớn nhất từ trước đến nay, lưu trữ 6.100 nguyên tử cesium dưới dạng qubit trong một mảng duy nhất. Kết quả, được công bố trên tạp chí Nature hôm thứ Năm, cho thấy sự gia tăng đáng kể so với các mảng trước đây, vốn chỉ chứa hàng trăm qubit.
Các nhà nghiên cứu đã mở rộng hệ thống của họ từ hàng trăm qubit thường thấy trong các thí nghiệm trước đây lên hơn 6.000, đồng thời vẫn duy trì được tính ổn định và độ chính xác ở mức cần thiết cho các máy móc thực tế.
Nhóm nghiên cứu cho biết họ đã đạt được thời gian kết hợp khoảng 13 giây - lâu hơn gần 10 lần so với các thí nghiệm trước đây - trong khi thực hiện các hoạt động qubit đơn với độ chính xác 99,98%.
Qubit, hay Bit lượng tử, là đơn vị thông tin cơ bản trong máy tính lượng tử. Không giống như Bit cổ điển — có thể là 0 hoặc 1 — qubit có thể tồn tại ở trạng thái chồng chập của cả hai trạng thái cùng một lúc, cho phép nó thực hiện nhiều phép tính song song. Thách thức là duy trì trạng thái tinh tế đó đủ ổn định để thực hiện các phép tính.
Sự ổn định đó được gọi là "tính nhất quán", và nó liên tục bị đe dọa bởi nhiễu, nhiệt hoặc trường điện từ lạc. Qubit duy trì tính nhất quán càng lâu thì các phép toán mà bộ xử lý lượng tử có thể thực hiện càng phức tạp và đáng tin cậy trước khi lỗi xuất hiện.
“Đây là một khoảnh khắc thú vị cho điện toán lượng tử nguyên tử trung hòa”, giáo sư vật lý Manuel Endres của Caltech và là nhà nghiên cứu chính của dự án, phát biểu trong một tuyên bố . “Giờ đây, chúng ta có thể thấy một con đường dẫn đến máy tính lượng tử hiệu chỉnh lỗi quy mô lớn. Các khối xây dựng đã sẵn sàng.”
Tuy nhiên, theo Elie Bataille, sinh viên sau đại học tại Caltech, người làm việc trong dự án này, thời gian chỉ là một yếu tố trong quá trình lượng tử.
"Điều bạn cần là một thời gian mạch lạc rất dài so với thời lượng hoạt động của bạn", Bataille nói với Decrypt. "Nếu hoạt động của bạn kéo dài một micro giây và bạn có một giây thời gian mạch lạc, điều đó có nghĩa là bạn có thể thực hiện khoảng một triệu hoạt động."
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng " nhíp quang học ", là những chùm ánh sáng hội tụ cao, để kẹp và định vị từng nguyên tử. Bằng cách chia một tia laser thành 12.000 bẫy ánh sáng nhỏ xíu này, họ có thể giữ ổn định 6.100 nguyên tử bên trong một buồng chân không.
Bataille cho biết : “Nếu bạn sử dụng tia laser ở bước sóng phù hợp, bạn có thể khiến ánh sáng hấp dẫn ATOM, tạo ra một cái bẫy. Nếu bạn giới hạn chùm sáng của mình trong một DOT rất nhỏ, khoảng một micromet, bạn có thể thu hút và bẫy nhiều nguyên tử.”
Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng họ có thể di chuyển các nguyên tử trong mảng mà không phá vỡ trạng thái lượng tử mong manh của chúng, được gọi là chồng chập. Khả năng dịch chuyển qubit trong khi vẫn giữ chúng ổn định có thể giúp việc sửa lỗi trong các máy tính lượng tử trong tương lai dễ dàng hơn.
Các hệ thống lượng tử nguyên tử trung hòa đang thu hút sự chú ý như những đối thủ cạnh tranh tiềm năng với các mạch siêu dẫn và nền tảng ion bẫy. Một trong những lợi thế độc đáo của chúng là khả năng tái cấu hình vật lý: các nguyên tử có thể được sắp xếp lại trong quá trình tính toán bằng các bẫy quang học di động, mang lại khả năng kết nối động mà các cấu trúc phần cứng cứng nhắc khó có thể sánh kịp. Cho đến nay, hầu hết các mảng ATOM trung hòa chỉ chứa hàng trăm qubit, khiến cột mốc 6.100 qubit của Caltech trở thành một bước tiến lớn.
Kết quả đạt được khi các công ty và phòng thí nghiệm trên toàn thế giới mở rộng quy mô máy tính lượng tử. IBM đã cam kết sẽ có một máy tính siêu dẫn 100.000 qubit vào năm 2033, trong khi các công ty như IonQ và QuEra đang phát triển các phương pháp bẫy ion và nguyên tử trung hòa. Quantinuum có trụ sở tại Colorado đặt mục tiêu cung cấp một máy tính lượng tử hoàn toàn chịu lỗi vào năm 2029.
Cột mốc tiếp theo là chứng minh khả năng sửa lỗi ở quy mô lớn, đòi hỏi phải mã hóa các qubit logic từ hàng ngàn qubit vật lý. Điều này rất quan trọng nếu máy tính lượng tử muốn giải quyết các vấn đề thực tế trong hóa học, vật liệu và hơn thế nữa.
"Một máy tính truyền thống cứ 10 đến 17 phép tính thì mắc một lỗi", Bataille nói. "Máy tính lượng tử còn lâu mới đạt được độ chính xác đó, và chúng tôi không kỳ vọng đạt được mức đó chỉ với phần cứng."
Nhóm Caltech có kế hoạch LINK (Chainlink) các qubit thông qua hiện tượng vướng víu, một bước cần thiết để chạy các phép tính lượng tử quy mô đầy đủ.
Mặc dù mảng 6.100 qubit của Caltech vẫn chưa cung cấp một máy tính lượng tử thực tế, nhưng bằng cách kết hợp quy mô, độ chính xác và tính nhất quán trong một hệ thống, nó đã thiết lập một chuẩn mực mới và củng cố lập luận cho rằng các nguyên tử trung tính là nền tảng hàng đầu trong điện toán lượng tử.
