Mở đường hướng đến máy tính lượng tử trong các điều kiện của thế giới thực

Khám phá thuốc mới là một ví dụng về ứng dụng máy tính lượng tử. Để hiểu về những tương tác thuốc, một công ty dược phẩm có thể phải mô phỏng được các tương tác giữa hai phân tử. Lúc này thách thức là mỗi phân tử lại tạo ra vài trăm nguyên tử và nhà khoa học phải mô hình hóa tất cả tương tác đó theo các cách mà các nguyên tử phải sắp xếp chúng khi các phân tử tương ứng được tạo ra. Số lượng các tổ hợp có thể là vô hạn – nhiều hơn số lượng các nguyên tử trong toàn bộ vũ trụ này. Chỉ có một máy tính lượng tử mới có thể giải quyết được vấn đề.

Dù vẫn còn vài thập kỷ nữa mới có thể sử dụng máy tính lượng tử bởi hiện tại thì các nhóm nghiên cứu tại các trường đại học và các công ty tư nhân trên khắp toàn cầu vẫn nghiên cứu trên nhiều khía cạnh khác nhau của công nghệ này.

Một nhóm nghiên cứu do Xu Yi, trợ lý giáo sư kỹ thuật điện và kỹ thuật máy tính tại trường Kỹ thuật và khoa học ứng dụng đại học Virginia (UVA) đã tập trung vào một khía cạnh của vật lý và ứng dụng các thiết bị photon dùng để dò và định hình ánh sáng cho một phạm vi sử dụng rộng, bao gồm truyền thông và máy tính. Nhóm nghiên cứu của anh đã tạo ra một nền tảng máy tính lượng tử có thể mở rộng về quy mô, có thể làm giảm bớt số lượng các thiết bị cần thiết để đạt được tốc độ lượng tử trên một chip photon với kích thước của một đồng xu.

Olivier Pfister, giáo sư quang lượng tử và thông tin lượng tử tại UVA, và Hansuek Lee, trợ lý giáo sư tại Viện KH&CN tiên tiến Hàn Quốc, đã cùng tạo ra thành công này.

Tạp chí Nature Communications gần đây đã xuất bản các kết quả thực nghiệm của nhóm nghiên cứu “A Squeezed Quantum Microcomb on a Chip” ¹. Hai thành viên trong nhóm nghiên cứu của Yi, Zijiao Yang, một nghiên cứu sinh vật lý, và Mandana Jahanbozorgi, một nghiên cứu sinh về kỹ thuật điện và máy tính đều là đồng tác giả thứ nhất. Đề tài được Chương trình Các nền tảng tích hợp lượng tử cho truyền thông lượng tử của Quỹ Khoa học quốc gia Mỹ tài trợ.

Tính toán lượng tử hứa hẹn mở ra một cách hoàn toàn mới về xử lý thông tin. Máy tính xách tay của bạn hay máy tính bàn xử lý thông tin trải qua nhiều dây dài của các bit. Một bit có thể nắm một trong hai giá trị: 0 hoặc một. Các máy tính lượng tử xử lý thông tin song song, nghĩa là nó không cần mất thời gian chờ đợi một chuỗi thông tin được xử lý trước khi chúng được tính toán. Bit lượng tử - đơn vị thông tin của chúng, là một dạng lai có thể là một hoặc không cùng một lúc. Một phương thức lượng tử, hoặc qumode, mở rộng toàn bộ phổ của các biến giữa 0 và 1 – các giá trị đúng đến điểm thập phân.

Các nhà nghiên cứu đang thực hiện các lối tiếp cận khác nhau để tạo ra một cách hiệu quả số lượng các qumode cần thiết để đạt được các tốc độ lượng tử.

Cách tiếp cận dựa trên photon của Yi rất hấp dẫn bởi đây là một lĩnh vực của ánh sáng toàn phổ; mỗi sóng ánh sáng trong phổ đều có tiềm năng trở thành một đơn vị lượng tử. Yi đặt giả thuyết bằng rối trường ánh sáng, ánh sáng có thể đạt được một trạng thái lượng tử.

Người ta có thể đạt được điều tương tự với các dây quang học phân phối thông tin qua internet. Bên trong mỗi cáp quang, các tia laser với nhiều màu khác nhau sẽ được sử dụng song song, một hiện tượng gọi là đa hợp. Yi mang ý tưởng đa hợp vào thực tại lượng tử.

Bộ tứ lượng tử từ trái qua phải: Olivier Pfister, Andreas Beling, Xu Yi và Joe Campbell.

Vi mô là yếu tố chính trong thành công của nhóm nghiên cứu này. UVA là người đi tiên phong của việc sử dụng đa hợp quang học vào việc tạo ra một nền tảng tính toán lượng tử có khả năng mở rộng quy mô. Vào năm 2014, nhóm của Pfister đã kết thừa thành quả trong việc tạo ra hơn 3.000 qumode trong một hệ quang tử. Tuy nhiên việc sử dụng các qumode này đòi hỏi một vùng phủ sóng lớn để chứa hàng ngàn tấm gương, thấu kính và những hợp phần khác để chạy một thuật toán và các thức vận hành khác.

“Tương lai của lĩnh vực này làquang lượng tửtích hợp”, Pfister nói. “Chỉ bằng việc chuyển giao các thực nghiệm quang học lượng tử từ các phòng thí nghiệm quang học để tạo ra các chip photon tương thích trường sẽ thực sự đem lại cơ hội cho công nghệ lượng tử. Chúng tôi may mắn khi có khả năng thu hút đến trường một chuyên gia đẳng cấp thế giới về photon lượng tử như Xu Yi, và tôi rất kích thích với những chiều kích mà các kết quả mới mở ra với chúng tôi”.

Nhóm nghiên cứu của Yi tạo ra một nguồn lượng tử trong một cộng hưởng quang vi mô, một cấu trúc dạng vòng tròn có kích thước cỡ mili mét bao bọc các photon và tạo ra microcomb - một thiết bị vi mô có thể chuyển đổi một cách hiệu quả các photon từ đơn bước sóng thành đa bước sóng. Ánh sáng bao bọc lấy vòng tròn này để tạo ra một lực quang. Lực quang này tăng cường các cơ hội cho photon tương tác, tạo ra các rối lượng tử giữa các trường ánh sáng trong microcomb.

Thông qua đa hợp, nhóm nghiên cứu của Yi đã kiểm tra việc tạo ra 40 qumode từ một vi cộng hưởng trên một con chip, chứng tỏ đa hợp qumode có thể hoạt động trên các nền tảng photon tích hợp. Đây chỉ là trường hợp mà họ có thể đo lường được. “Chúng tôi ước tính là khi tối ưu được hệ này, chúng tôi có thể tạo ra hàng trăm qumode từ một thiết bị đơn lẻ”, Yi nói.

Kỹ thuật đa hợp của Yi mở ra một cách tiến tới tính toán lượng tử trong các điều kiện của thế giới thực, khi các nhiễu chắc chắn sẽ xuất hiện. Điều này cũng xảy ra với cả các máy tính cổ điển, tuy nhiên các trạng thái lượng tử thì dễ bị nhiễu ảnh hưởng hơn các trạng thái cổ điển.

Số lượng các qubit cần đến việc hiệu chỉnh các nhiễu có thể vượt quá con số một triệu với sự gia tăng tương xứng trong số lượng các thiết bị. Kỹ thuật đa hợp giảm boét số thiết bị cần thiết đến hai hoặc ba bậc.

Hệ dựa trên photon của Yi có hai điểm tiên tiến thêm vào trong tính toán lượng tử. Các nền tảng tính toán lượng tử sử dụng các mạch electron siêu dẫn đòi hỏi việc làm mát đến nhiệt độ cryo. Bởi vì các photon không có khối lượng, máy tính lượng tử với các chip tích hợp photon có thể chạy hoặc tạm ngừng ở nhiệt độ phòng. Thêm vào đó, Lee làm vi cộng hưởng trên một chip silicon bằng việc sử dụng các kỹ thuật quang khắc tiêu chuẩn.

“Chúng tôi tự hào khi thúc đẩy các kỹ thuật tiên phong trong tính toán lượng tử và gia tốc cho quá trình chuyển đổi từ quang học sang các photon tích hợp”, Yi nói. “Chúng tôi sẽ tiếp tục khám phá các cách để tích hợp các thiết bị và mạch trong một nền tảng tính toán lượng tử chứa photon rồi tối ưu hiệu suất của nó”.