Các nhà nghiên cứu đưa ra khối cơ bản mới cho tính toán lượng tử

Brian Williams, Joseph Lukens, Pavel Lougovski, và Nicholas Peters (từ trái sang), cùng các nhà nghiên cứu thuộc nhómKhoa học Thông tin Lượng tử thuộc ORNL đãthực hiện các tác động độc lập và riêng biệt đồng thời lên hai qubit được mã hóa bởi các photon có tần số khác nhau. Ảnh:Carlos Jones/Oak Ridge National Laboratory, US Department of Energy

Joseph Lukens, Brian Williams, Nicholas Peters và Pavel Lougovski, các nhà khoa học của nhóm nghiên cứu Khoa học Thông tin Lượng tử thuộc ORNL, đã thực hiện các tác động độc lập và riêng biệt đồng thời lên hai qubit được mã hóa bởi các photon có tần số khác nhau, một công đoạn quan trọng trong tính toán lượng tử dựa trên các thiết bị quang học tuyến tính. Qubits là đơn vị nhỏ nhất của thông tin lượng tử.

Các nhà khoa học làm việc với các qubit được mã hóa theo tần số đã có thể thực hiện từng tác động đơn lẻ trên mỗi trong hai qubit một cách độc lập, nhưng điều đó không đủ để thực hiện các tính toán lượng tử.

"Để thực hiện tính toán lượng tử vạn năng, bạn cần có khả năng thực hiện đồng thời các tác động khác nhau trên các qubit khác nhau, và đó là những gì chúng tôi đã làm được ở đây", Lougovski nói.

Theo Lougovski, hệ lượng tử mà nhóm đã dùng để làm thí nghiệm gồm hai photon được làm rối với nhau trong một sợi cáp quang – được xem như là mô hình của một "máy tính lượng tử nhỏ nhất mà bạn có thể tưởng tượng. Bài báo này đánh dấu minh chứng đầu tiên về cách tiếp cận dựa trên tần số của chúng tôi đối với tính toán lượng tử vạn năng.”

"Nhiều nhà nghiên cứu đang nói về xử lý thông tin lượng tử bằng photon và thậm chí sử dụng cả tần số của photon", ông Lukens nói. "Nhưng đã không ai nghĩ về việc truyền nhiều photon qua cùng một sợi quang, trong cùng một không gian và tác động lên các photon theo những cách khác nhau."

Bộ xử lý tần số lượng tử của nhóm cho phép điều chỉnh tần số của các photon để tạo ra trạng thái chồng chập, là trạng thái cần thiết để có thể thực hiện các tác động lượng tử và tính toán lượng tử.

Khác với các bit dữ liệu được mã hóa cho tính toán cổ điển, các qubit được mã hóa theo tần số của photon có giá trị 0 và 1, thay vì 0 hoặc 1. Khả năng này cho phép các máy tính lượng tử thực hiện đồng thời các tác động trên các bộ dữ liệu lớn hơn so với các siêu máy tính hiện hành.

Sử dụng bộ xử lý của mình, các nhà nghiên cứu đã chứng tỏ được rằng độ hiển thị giao thoa - một thước đo về mức độ giống nhau giữa hai photon – đạt tới 97% so với chỉ 70% trong nghiên cứu tương tự. Kết quả của họ chỉ ra rằng các trạng thái lượng tử của photon hầu như giống hệt nhau.

Các nhà nghiên cứu cũng áp dụng một phương pháp thống kê liên kết với học máy để chứng minh rằng các tác động đã được thực hiện với độ tin cậy rất cao và hoàn toàn kiểm soát được.

"Lượng thông tin về trạng thái lượng tử của hệ thực nghiệm mà chúng tôi đã có thể trích xuất bằng suy luận Bayes lớn hơn so với lượng thông tin thu được nếu chúng tôi sử dụng các phương pháp thống kê phổ biến hơn", Williams nói.

"Công việc này lần đầu tiên cho thấy rằng quá trình thực nghiệm của nhóm chúng tôi đã cho một kết quả lượng tử thực thụ."

Williams chỉ ra rằng thiết kế thí nghiệm của họ đảm bảo sự ổn định và kiểm soát được. "Khi các photon truyền theo các lộ trình khác nhau trong thiết bị, chúng chịu những sự thay đổi pha khác nhau, và điều đó dẫn đến sự mất ổn định", ông nói. "Khi các photon truyền qua cùng một thiết bị (trong trường hợp này là sợi quang) sự kiểm soát sẽ tốt hơn."

Sự ổn định và khả năng kiểm soát cho phép các tác động lượng tử bảo tồn được thông tin, giảm thời gian xử lý thông tin và tăng hiệu quả năng lượng. Các nhà nghiên cứu đã so sánh các dự án đang thực hiện của họ, bắt đầu từ năm 2016, như các khối cơ bản sẽ được kết nối với nhau sao cho các tính toán lượng tử quy mô lớn trở thành có thể.

"Có những bước bạn phải thực hiện trước khi bạn thực hiện bước tiếp theo phức tạp hơn", Peters nói. "Các dự án trước đây của chúng tôi tập trung phát triển các khả năng cơ bản và hiện cho phép chúng tôi làm việc trong miền hoàn toàn lượng tử với các trạng thái đầu vào hoàn toàn lượng tử."

Lukens nói các kết quả của nhóm cho thấy rằng "chúng tôi có thể kiểm soát các trạng thái lượng tử của qubit, thay đổi mức độ tương quan giữa chúng và biến đổi chúng bằng công nghệ viễn thông tiêu chuẩn theo các cách có thể áp dụng để thúc đẩy sự tiến bộ trong tính toán lượng tử."

Một khi tất cả các khối cơ bản của máy tính lượng tử được đặt đúng chỗ, ông nói thêm, "chúng ta có thể bắt đầu kết nối các thiết bị lượng tử để xây dựng internet lượng tử, đó là bước thú vị tiếp theo."

Nhiều phần giống như việc thông tin được xử lý khác nhau bới các siêu máy tính khác nhau, tùy thuộc vào các nhà phát triển và các ưu tiên của quy trình công việc, các thiết bị lượng tử sẽ hoạt động theo các tần số khác nhau. Điều này là một thách thức trong việc kết nối các thiết bị lượng tử để chúng có thể hoạt động cùng nhau theo cách mà các máy tính ngày nay tương tác trên internet.

Công trình này là một mở rộng của các nghiên cứu trước đây của nhóm về khả năng xử lý thông tin lượng tử trên công nghệ viễn thông tiêu chuẩn. Hơn nữa, họ cho biết, tận dụng cơ sở hạ tầng mạng cáp quang hiện có cho tính toán lượng tử là thực tế: hàng tỷ đô la đã được đầu tư và xử lý thông tin lượng tử là một ứng dụng mới mẻ.

Các nhà nghiên cứu cho biết cách tiếp cận "vòng tròn kín" trong công việc của họ là rất thỏa đáng. "Chúng tôi bắt đầu nghiên cứu cùng nhau với mong muốn khám phá việc áp dụng công nghệ viễn thông tiêu chuẩn để xử lý thông tin lượng tử, và chúng tôi đã phát hiện ra rằng chúng tôi có thể quay ngược lại miền cổ điển và cải tiến nó", Lukens nói