Tìm ra dạng vật chất mới có thể thay đổi tương lai của máy tính lượng tử

Các nhà nghiên cứu đến từ Microsoft và Đại học California Santa Barbara (UC Santa Barbara) đã công bố bộ xử lý lượng tử topo tám qubit, đánh dấu một bước tiến lớn hướng tới việc xây dựng một máy tính lượng tử topo hoàn chỉnh.

Kỷ nguyên mới của máy tính lượng tử

Các chuyên gia Microsoft, cùng một nhóm nhà nghiên cứu nhà vật lý từ UC Santa Barbara, đã giới thiệu bộ xử lý lượng tử topo tám qubit đầu tiên trên thế giới. Con chip đột phá này đóng vai trò như một bằng chứng khái niệm, mở đường cho sự phát triển lâu đời của máy tính lượng tử topo.

Con chip được giới thiệu tại hội nghị thường niên của Station Q ở Santa Barbara và được mô tả chi tiết trong một bài báo mới xuất bản trên tạp chí Nature. Nghiên cứu được thực hiện bởi Microsoft và các cộng tác viên học thuật, đã trình bày các phép đo quan trọng của những qubit mới này.

"Chúng tôi đã tạo ra một trạng thái vật chất mới, được gọi là chất siêu dẫn topo", ông Chetan Nayak, Giám đốc Microsoft Station Q, giáo sư vật lý tại UCSB và là Chuyên gia Kỹ thuật về Phần cứng Lượng tử tại Microsoft cho biết. Trạng thái vật chất này chứa các biên giới kỳ lạ gọi là “Majorana zero modes” (MZMs), rất hữu ích cho máy tính lượng tử. Kết quả mô phỏng và thử nghiệm nghiêm ngặt trên các thiết bị cấu trúc dị thể của chúng phù hợp với việc quan sát các trạng thái này.

Các nhà nghiên cứu cũng tiếp nối kết quả trên Nature bằng một bài báo hiện đang trong giai đoạn tiền xuất bản, phác thảo lộ trình mở rộng công nghệ này thành một máy tính lượng tử topo hoàn chỉnh.

Phép Màu Majorana: Chìa Khóa cho Sự Ổn Định

Thế mạnh của máy tính lượng tử nằm ở tốc độ và hiệu năng tính toán, được kỳ vọng sẽ vượt trội hơn cả siêu máy tính cổ điển tiên tiến nhất. Tất cả đều dựa trên qubit - phiên bản lượng tử của bit - đơn vị thông tin cơ bản của máy tính cổ điển. Trong khi các bit cổ điển chỉ tồn tại ở trạng thái 0 hoặc 1, qubit có thể đại diện cho 0, 1 và các kết hợp giữa chúng.

Qbit có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau, chẳng hạn như sử dụng hành vi lượng tử của các ion bị bẫy hoặc photon. Các hệ thống topo dựa trên một loại hạt khác gọi là anyon, một loại "giả hạt" xuất hiện do các trạng thái tương quan của nhiều hạt tương tác trên bề mặt vật liệu, trong trường hợp này là một dây nano siêu dẫn.

Điều khiến điện toán lượng tử topo trở thành một lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn là nằm ở tính ổn định và khả năng chống lỗi tốt hơn so với các hệ thống máy tính lượng tử khác. Qubit thường dễ bị lỗi, đòi hỏi các nhà phát triển máy tính lượng tử phải đau đầu tìm phương án xử lý, chẳng hạn như tạo ra nhiều qubit hơn.

Khả năng chống lỗi ở cấp độ phần cứng

"Một cách tiếp cận bổ sung là tích hợp sửa lỗi ngay ở cấp độ phần cứng," Nayak nói. Ông giải thích rằng vì thông tin lượng tử được phân phối và lưu trữ trên một hệ thống vật lý thay vì trong các hạt hoặc nguyên tử riêng lẻ, thông tin được xử lý bởi các qubit topo ít có khả năng mất tính nhất quán, dẫn đến một hệ thống chịu lỗi tốt hơn.

Tuy nhiên, không phải bất kỳ giả hạt nào cũng phù hợp. Đối với máy tính lượng tử topo, các hạt Majorana — cụ thể hơn là MZMs — là công cụ được lựa chọn. Được đặt theo tên nhà vật lý người Italy Ettore Majorana, người đã dự đoán sự tồn tại của chúng vào năm 1937, các hạt này đặc biệt ở chỗ chúng là phản hạt của chính mình và có khả năng giữ "ký ức" về vị trí tương đối của chúng theo thời gian. Bằng cách "bện" chúng lại với nhau — có thể tạo ra một logic lượng tử mạnh mẽ hơn.

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra những cấu trúc MZM này bằng cách đặt một dây nano bán dẫn indium arsenide rất gần với một chất siêu dẫn nhôm. Trong điều kiện thích hợp, dây bán dẫn trở thành chất siêu dẫn và bước vào pha topo. Các MZM xuất hiện ở hai đầu dây, trong khi phần còn lại của dây có một khe năng lượng. Khe topo càng lớn, pha topo càng ổn định, đồng thời có thể hoạt động nhanh hơn.

Với tám qubit, bộ xử lý topo của các nhà nghiên cứu chỉ là một phôi thai trong thế giới máy tính lượng tử, nhưng đánh dấu một cột mốc quan trọng trong hành trình kéo dài hàng thập kỷ của các nhà khoa học để phát triển một máy tính lượng tử topo, đặc biệt trong lĩnh vực tạo ra các vật liệu hỗ trợ hành vi lượng tử topo. Có thể nói đây là một ước tiến nhỏ nhưng mạnh mẽ.