Các nhà nghiên cứu Úc đã phát minh ra một loại qubit mới được gọi là ‘khối xây dựng của máy tính lượng tử’. Họ cho rằng phát minh này thực sự có khả năng cho ra đời một thế hệ máy vượt trội so với những gì chúng ta đang có.
Theo Sciencealert, máy tính lượng tử tốn rất nhiều diện tích để thiết lập, tuy nhiên, bên cạnh đó cũng tồn tại một số cách khác tiết kiệm không gian hơn nhưng lại cực kì phức tạp.
Để giữ các hạt đủ lâu trong quá trình phân tích, các nhà khoa học sử dụng các công cụ xử lý nguyên tử chuẩn xác như bẫy ion và nhíp quang. Hoặc sử dụng mạch được làm bằng vật liệu siêu dẫn để phát hiện sự chồng chất lượng tử trong các dòng điện.
Những loại hệ thống này có lợi thế dựa trên những nền tảng về trang bị – kĩ thuật có sẵn, làm cho chúng cực kì dễ xây dựng và lắp ráp.
Nhờ thông tin mã hóa trong cả hạt nhân và electron của nguyên tử, 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 sự ràng buộc lượng tử trên một khoảng cách lớn hơn bao giờ hết, làm cho giá thành rẻ hơn và dễ dàng trong khâu chế tạo.
Video: “Qubit flip-flop: một kết cấu tính toán lượng tử hoàn toàn mới.” (Nguồn: Youtube)
“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 phát minh ra qubit mới cho biết.
Qubit flip-flop sẽ nằm ở một vị trí ‘êm ái’ ở giữa hai cực, cung cấp sự ràng buộc lượng tử trong suốt hàng trăm na-nô mét. Nói một cách khác, đây chính là điểm mà chúng ta đang chờ đợi để biến máy tính lượng tử silicon thành hiện thực.
Hiện thiết kế này vẫn còn nằm trên giấy, tuy nhiên theo ông Andrea Morello – người đứng đầu dự án, thì quá trình phát triển có tầm quan trọng tương tự như dự án năm 1998, đã được đăng tải trên tờ báo Nature bởi Bruce Kane – dự án trong quá khứ đã khuấy động phong trào điện toán lượng tử.
![]()
Hai nhà khoa học Guilherme Tosi (trái) và Andrea Morello (phải). (Ảnh: Quentin Jones, 24/07/2017)
“Như tờ báo của Kane, đây chỉ là một giả thuyết, một lời đề nghị – qubit chưa được xây dựng.” Ông Morello đã nói. “Dữ liệu thực nghiệm sơ bộ của chúng tôi cho thấy nó hoàn toàn khả thi và chúng tôi sẽ chứng minh nó. Tôi nghĩ thứ này cũng sẽ có một tầm xa giống như bài báo của Kane.”
Qubit flip-flop hoạt động dựa trên những thông tin mã hóa 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’ – nếu giá trị ‘xoay’ của một electron tăng lên trong khi của hạt nhân giảm xuống, thì qubit sẽ có giá trị là 1. Đảo ngược lại, nó sẽ 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 đã thành công trong việc điều khiển qubit khi sử dụng điện trường thay vì các tín hiệu từ. Thành công này làm cho khâu kết nối với mạch điện được diễn ra dễ dàng, và quan trọng hơn, những qubits đã có thể liên thông trên một khoảng cách xa hơn trước.
“Để vận hành qubit, chúng ta sẽ cần kéo electron xa khỏi các nguyên từ một chút bằng cách sử dụng điện cực phía trên. Cách này cũng giúp chúng ta tạo ra một lưỡng cực điện.” Ông Tosi nói.
“Đây là điểm quan trọng,” Ông Morello nói thêm. “Các lưỡng cực điện này tương tác với nhau trên những khoảng cách lớn hơn, một phần nhỏ của một micron, hoặc 1,000 na-nô mét.”
“Điều này có nghĩa là giờ đây, chúng ta đã có thể đặt các qubit nguyên tử đơn cách xa nhau hơn rất nhiều so với những suy luận trước đây. Vì vậy, có rất nhiều không gian xen kẽ các thành phần quan trọng như các kết nối, kiểm soát điện cực và thiết bị đọc, trong khi vẫn giữ bản chất nguyên tử của lượng tử.”
“Chế tạo nó dễ hơn là các thiết bị nguyên tử, bên cạnh đó nó cũng cho phép chúng ta đặt hàng triệu qubit trên một mi li mét vuông.”
Ý nghĩa của flip-flop qubit mang lại là sự cân bằng, đóng góp cho quá trình tạo ra những chiếc máy tính lượng tử nhỏ gọn hơn trong tương lai.
“Nó là một thiết kế tuyệt vời, như những khái niệm đột phá khác – thật thú vị khi chưa một ai từng nghĩ về nó” Ông Morello nói.
Hoài Anh
Theo Sciencealert, máy tính lượng tử tốn rất nhiều diện tích để thiết lập, tuy nhiên, bên cạnh đó cũng tồn tại một số cách khác tiết kiệm không gian hơn nhưng lại cực kì phức tạp.
Để giữ các hạt đủ lâu trong quá trình phân tích, các nhà khoa học sử dụng các công cụ xử lý nguyên tử chuẩn xác như bẫy ion và nhíp quang. Hoặc sử dụng mạch được làm bằng vật liệu siêu dẫn để phát hiện sự chồng chất lượng tử trong các dòng điện.
Những loại hệ thống này có lợi thế dựa trên những nền tảng về trang bị – kĩ thuật có sẵn, làm cho chúng cực kì dễ xây dựng và lắp ráp.
Nhờ thông tin mã hóa trong cả hạt nhân và electron của nguyên tử, 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 sự ràng buộc lượng tử trên một khoảng cách lớn hơn bao giờ hết, làm cho giá thành rẻ hơn và dễ dàng trong khâu chế tạo.
Video: “Qubit flip-flop: một kết cấu tính toán lượng tử hoàn toàn mới.” (Nguồn: Youtube)
“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 phát minh ra qubit mới cho biết.
Qubit flip-flop sẽ nằm ở một vị trí ‘êm ái’ ở giữa hai cực, cung cấp sự ràng buộc lượng tử trong suốt hàng trăm na-nô mét. Nói một cách khác, đây chính là điểm mà chúng ta đang chờ đợi để biến máy tính lượng tử silicon thành hiện thực.
Hiện thiết kế này vẫn còn nằm trên giấy, tuy nhiên theo ông Andrea Morello – người đứng đầu dự án, thì quá trình phát triển có tầm quan trọng tương tự như dự án năm 1998, đã được đăng tải trên tờ báo Nature bởi Bruce Kane – dự án trong quá khứ đã khuấy động phong trào điện toán lượng tử.
“Như tờ báo của Kane, đây chỉ là một giả thuyết, một lời đề nghị – qubit chưa được xây dựng.” Ông Morello đã nói. “Dữ liệu thực nghiệm sơ bộ của chúng tôi cho thấy nó hoàn toàn khả thi và chúng tôi sẽ chứng minh nó. Tôi nghĩ thứ này cũng sẽ có một tầm xa giống như bài báo của Kane.”
Qubit flip-flop hoạt động dựa trên những thông tin mã hóa 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’ – nếu giá trị ‘xoay’ của một electron tăng lên trong khi của hạt nhân giảm xuống, thì qubit sẽ có giá trị là 1. Đảo ngược lại, nó sẽ 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 đã thành công trong việc điều khiển qubit khi sử dụng điện trường thay vì các tín hiệu từ. Thành công này làm cho khâu kết nối với mạch điện được diễn ra dễ dàng, và quan trọng hơn, những qubits đã có thể liên thông trên một khoảng cách xa hơn trước.
“Để vận hành qubit, chúng ta sẽ cần kéo electron xa khỏi các nguyên từ một chút bằng cách sử dụng điện cực phía trên. Cách này cũng giúp chúng ta tạo ra một lưỡng cực điện.” Ông Tosi nói.
“Đây là điểm quan trọng,” Ông Morello nói thêm. “Các lưỡng cực điện này tương tác với nhau trên những khoảng cách lớn hơn, một phần nhỏ của một micron, hoặc 1,000 na-nô mét.”
“Điều này có nghĩa là giờ đây, chúng ta đã có thể đặt các qubit nguyên tử đơn cách xa nhau hơn rất nhiều so với những suy luận trước đây. Vì vậy, có rất nhiều không gian xen kẽ các thành phần quan trọng như các kết nối, kiểm soát điện cực và thiết bị đọc, trong khi vẫn giữ bản chất nguyên tử của lượng tử.”
“Chế tạo nó dễ hơn là các thiết bị nguyên tử, bên cạnh đó nó cũng cho phép chúng ta đặt hàng triệu qubit trên một mi li mét vuông.”
Ý nghĩa của flip-flop qubit mang lại là sự cân bằng, đóng góp cho quá trình tạo ra những chiếc máy tính lượng tử nhỏ gọn hơn trong tương lai.
“Nó là một thiết kế tuyệt vời, như những khái niệm đột phá khác – thật thú vị khi chưa một ai từng nghĩ về nó” Ông Morello nói.
Hoài Anh
