Theo trang Business Insider, các nhà nghiên cứu tại Úc mới đây đã thiết kế được một loại qubit mới có thể giúp xây dựng được một cỗ máy tính lượng tử vượt trội có kích thước nhỏ gọn và giá thành phải chăng.‘Qubit flip-flop’ - nền tảng cơ bản của máy tính lượng tử trong tương lai
Nói chung, hiện tại có rất nhiều cách để tạo ra máy tính lượng tử. Tuy nhiên, nếu chế tạo một cỗ máy kích thước nhỏ thì sẽ vô cùng phức tạp, trong khi đó, nếu chế tạo theo cách đơn giản thì kích cỡ của chúng sẽ cực kỳ khổng lồ.
Để giữ các hạt đủ lâu trong quá trình phân tích, các nhà khoa học thu thập bit lượng tử bằng cách sử dụng “công nghệ chế ngự nguyên tử chuẩn” như bẫy ion và “nhíp” quang học, hoặc sử dụng mạch được làm bằng vật liệu siêu dẫn để phát hiện sự “chồng chất lượng tử” trong các dòng điện.
Lợi thế của những loại hệ thống này là dựa trên nền tảng công nghệ và thiết bị có sẵn nên các nhà nghiên cứu có thể dễ dàng kết hợp chúng lại với nhau.
Những công nghệ này có thể thực hiện được với một số lượng nhỏ bit lượng tử, nhưng khi thực hiện với hàng trăm hàng nghìn bit lượng tử liên kết với máy tính, kích thước của cỗ máy lượng tử sẽ rất khổng lồ và đây là một vấn đề khiến các nhà nghiên cứu phải đau đầu.
Để giải quyết điều này, các nhà khoa học đã tạo ra một qubit silicon mới được gọi là ‘qubit flip-flop’, có thể được điều khiển bởi các tín hiệu điện thay vì các tín hiệu từ. Điều đó có nghĩa, nó có thể duy trì trạng thái “rối lượng tử” trên một khoảng cách lớn hơn bao giờ hết. Và các nhà nghiên cứu có thể dễ dàng chế tạo những cỗ máy tính lượng tử có tầm cỡ với chi phí rẻ hơn nhiều.
“Nếu chúng ở quá gần, hoặc quá xa, sự ràng buộc giữa những mảnh lượng tử – thứ tạo nên điều đặc biệt cho máy tính lượng tử – sẽ không xảy ra”, nhà nghiên cứu Guilherme Tosi, người đã tạo ra qubit mới thuộc Trường Đại học New South Wales ở Úc, phát biểu.
Qubit flip-flop sẽ có một vị trí tuyệt vời giữa hai cực, và có thể giữ trạng thái rối lượng tử ở khoảng cách ấn tượng: khoảng vài trăm nanomet, nên về mặt lý thuyết chúng ta có thể xây dựng các cỗ máy tính lượng tử trên nền tảng silicon.
Cơ hội có máy tính lượng tử có kích thước nhỏ và giá cả phải chăng
Tuy lợi ích của bit lượng tử mới rất tuyệt vời, nhưng cho đến nay những gì các nhà nghiên cứu đang nắm trong tay chỉ là bản thiết kế của cỗ máy mà thôi. Nhưng theo lời trưởng nhóm nghiên cứu Andrea Morello, thì phát hiện này hết sức quan trọng đối với ngành khoa học máy tính lượng tử. Ông so sánh nghiên cứu này với một bài báo khoa học đã khởi động phong trào tính toán lượng tử silicon của Bruce Kane xuất bản năm 1998.
Morello cho biết: “Giống như bài báo của Kane, đây là một lý thuyết, một đề xuất – qubit lượng tử mới vẫn chưa được xây dựng. Nhưng chúng tôi có một số dữ liệu thực nghiệm sơ bộ cho thấy điều này hoàn toàn khả thi để thực hiện. Vì vậy chúng tôi đang làm việc cật lực để biến điều này thành sự thật.”
Qubit flip-flop hoạt động bằng cách mã hóa thông tin từ cả hai phía electron cùng hạt nhân nguyên tử phốt pho, được cấy bên trong một con chip silicon và kết nối với các mạch điện. Sau đó sẽ được đưa vào làm lạnh tới gần cực âm rồi ngâm trong một dung dịch từ tính.
Giá trị của các qubit được xác định bởi một tổ hợp nhị phân gọi là ‘xoay’ (spin) – nếu giá trị ‘xoay’ của một electron tăng lên trong khi của hạt nhân giảm xuống, thì qubit sẽ có giá trị là 1 và ngược lại là 0. Điều này để lại sự chồng chéo trong trạng thái ‘xoay’, được sử dụng trong các phép tính lượng tử.
Trong flip-flop, các nhà nghiên cứu có thể kiểm soát qubit khi sử dụng một điện trường thay vì các tín hiệu từ. Điều này đem lại hai lợi ích. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu có thể dễ dàng tích hợp chúng với các mạch điện tử bình thường và điều thứ hai cũng là điều quan trọng nhất là những qubit có thể “giao tiếp” ở một khoảng cách cực kì xa.
“Để vận hành qubit lượng tử này, bạn cần phải kéo electron ra khỏi hạt nhân một chút bằng cách sử dụng điện cực ở phía trên. Bằng cách đó, chúng ta cũng tạo ra một lưỡng cực điện”, nhà nghiên cứu Tosi nói.
Nhà nghiên cứu Morello cho biết thêm: “Đây là điểm rất quan trọng. Những lưỡng cực điện tương tác với nhau ở khoảng cách rất lớn, khoảng 1.000 nanomet. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể đặt các bit lượng tử ra xa hơn so với những gì chúng ta nghĩ trước đó.
Vì vậy, có rất nhiều không gian để đặt rải rác các thành phần quan trọng như liên mạng, điện cực kiểm soát và các thiết bị đọc, trong khi vẫn có thể giữ lại đặc tính nguyên tử của các bit lượng tử. Chúng tôi có thể dễ dàng chế tạo các thiết bị có kích thước nguyên tử và đặt một triệu bit lượng tử vào một milimet vuông”.
Điều này có nghĩa là qubit flip-flop có tiềm năng tạo ra các máy tính lượng tử có kích thước nhỏ và có giá cả phải chăng trong tương lai.
“Đây là một nghiên cứu tuyệt vời, giống như một bước đột phá về khái niệm mà không ai từng nghĩ đến trước đó”, nhà nghiên cứu Morello nói.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.
