Các nhà vật lý học tạo ra kỹ thuật mới để điều khiển Qubit – Khối xây dựng của máy tính lượng tử

Một nhóm nghiên cứu bao gồm hai nhà vật lý của Đại học Oregon đã vạch ra các kỹ thuật mới để điều khiển các khối xây dựng của máy tính lượng tử , một bước tiến quan trọng có khả năng làm cho những máy tính như vậy trở nên chính xác và hữu ích hơn.

Các nhà vật lý David Allcock và David Wineland là những người sáng lập Phòng thí nghiệm Ions Oregon mới, được thành lập gần đây ở tầng hầm của Willamette Hall. Họ là một trong số 12 tác giả của bài báo mới, dựa trên một thử nghiệm tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia ở Boulder, Colorado. Cả hai nhà khoa học trước đây đã làm việc tại phòng thí nghiệm Colorado và tiếp tục hợp tác trong dự án sau khi đến UO vào năm 2018.

Các kỹ thuật, được mô tả trong tạp chí Nature , liên quan đến việc sử dụng các bit lượng tử ion bị mắc kẹt, hoặc qubit, trong tính toán lượng tử và mô phỏng. Các nhà vật lý cho biết chúng có thể dẫn đến những cải tiến trong hoạt động của máy tính lượng tử, vốn vẫn mắc quá nhiều lỗi tính toán để trở thành công cụ hiệu quả.

Vấn đề với máy tính lượng tử là các cổng logic của chúng – công cụ được sử dụng để thực hiện các chức năng logic cơ bản trong máy tính – “thực sự rất tệ,” Allcock nói.

“Họ thất bại khoảng 1% thời gian,” anh nói. “Bạn có thể thực hiện khoảng 100 (hoạt động), sau đó bạn sẽ thải rác ra ngoài”.

Wineland nói thêm, “Toàn bộ lĩnh vực này hiện đang trong giai đoạn hoàn thiện, do có những sai sót, chúng tôi không thể tính toán dài dòng hoặc mô phỏng giá trị thực tế trên máy của chúng tôi.”

Ông nói, mục tiêu là đạt được 10.000 hoạt động mà không có lỗi và sau đó thêm các lớp kiểm tra để sửa lỗi khi chúng xảy ra.

“Chúng tôi muốn đi đến điểm đó,” Allcock nói. “Sau đó, bạn có thể sử dụng máy tính lượng tử cho một cái gì đó hữu ích. Hiện giờ chúng chỉ là đồ chơi ”.

Wineland cho biết các ion bị mắc kẹt giống như một bát bi có các đặc tính từ tính nhất định. Allcock cho biết, các nhà vật lý có thể tác động lực lên các ion bằng các phương pháp khác nhau, bao gồm cả tia laser. Tuy nhiên, laser là loại máy đắt tiền và phức tạp, trong khi việc tạo ra các cổng logic sử dụng lực từ trường thì rẻ hơn và thiết thực hơn vì chúng có thể được tạo ra trực tiếp bằng các mạch tích hợp, ông nói.

“Những gì chúng tôi đã làm ở đây là cho thấy những kỹ thuật này hoạt động tốt như bất kỳ ai đã làm các cổng logic trước đây,” ông nói.

Google và IBM là một trong những doanh nghiệp thương mại có đội quân kỹ sư làm việc với những vấn đề như vậy, trong khi các nhà vật lý hàn lâm đang cố gắng chỉ ra rằng có những kỹ thuật tốt hơn, cơ bản hơn để giải quyết chúng.

Ông nói: “Chúng tôi đã chứng minh rằng bạn có thể làm điều đó theo cách đơn giản hơn về mặt kỹ thuật.

Nếu các nhà vật lý và kỹ sư có thể làm cho máy tính lượng tử đáng tin cậy và có thể hoạt động với công suất đủ lớn, họ có thể mô phỏng các hệ thống khác, Wineland nói. Ví dụ, một máy tính lượng tử có thể mô phỏng hoạt động của một phân tử được sử dụng trong điều trị bằng thuốc mà không cần phải tổng hợp nó trong phòng thí nghiệm.

Wineland nói: “Có một số kết quả rất thiết thực và hữu ích. “Chúng tôi chỉ đang làm xước bề mặt.”

Tính toán lượng tử dựa trên các nguyên tắc của lý thuyết lượng tử, lý thuyết này giải thích hành vi của vật chất ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử. Bit lượng tử, hay qubit, là đơn vị thông tin cơ bản trong tính toán lượng tử, cũng giống như bit là đơn vị cơ bản trong tính toán thông thường. Không giống như một bit cổ điển, có thể là 1 hoặc 0, một qubit có thể là 1 và 0 cùng một lúc.

Điện toán lượng tử xuất hiện từ khoảng năm 1995, khi một nhà toán học tại Viện Công nghệ Massachusetts tên là Peter Shor đưa ra một thuật toán sử dụng các ý tưởng logic lượng tử có thể chia các số lớn thành một tập hợp các phương trình đơn giản hơn một cách hiệu quả, một quá trình được gọi là bao thanh toán, Wineland nói. Điều đó rất quan trọng bởi vì hầu hết các thuật toán mã hóa hiện đại đều có được tính bảo mật của chúng từ việc không thể phân tích số lượng lớn.

Tham khảo: “Điều khiển phổ quát không dùng tia laser có độ trung thực cao đối với các qubit ion bị mắc kẹt” của R. Srinivas, SC Burd, HM Knaack, RT Sutherland, A. Kwiatkowski, S. Glancy, E. Knill, DJ Wineland, D. Leibfried, AC Wilson, DTC Allcock và DH Slichter, 8 tháng 9 năm 2021, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-021-03809-4

Allcock và Wineland tham gia UO vào năm 2018. Wineland là người đồng nhận giải Nobel vật lý năm 2012 cho công trình nghiên cứu thao tác và đo lường các hệ lượng tử riêng lẻ. Ông giữ chức Chủ tịch Nghiên cứu Xuất sắc của Philip H. Knight tại Khoa Vật lý. Allcock là nhà điều tra chính trong Phòng thí nghiệm Oregon Ions mới.

Theo Scitechdaily