Chip sáng tạo giải quyết cơn đau đầu lượng tử – Mở đường đến siêu máy tính của tương lai

Các nhà vật lý lượng tử tại Đại học Copenhagen đang báo cáo một thành tựu quốc tế cho Đan Mạch trong lĩnh vực công nghệ lượng tử. Bằng cách vận hành đồng thời nhiều qubit spin trên cùng một con chip lượng tử, họ đã vượt qua một trở ngại quan trọng trên con đường trở thành siêu máy tính của tương lai. Kết quả báo hiệu tốt cho việc sử dụng vật liệu bán dẫn làm nền tảng cho máy tính lượng tử trạng thái rắn.

Một trong những vấn đề kỹ thuật đau đầu trong cuộc chạy đua marathon toàn cầu hướng tới một máy tính lượng tử chức năng lớn là việc điều khiển đồng thời nhiều thiết bị nhớ cơ bản – qubit -. Điều này là do việc điều khiển một qubit thường bị ảnh hưởng tiêu cực bởi các xung điều khiển đồng thời được áp dụng cho một qubit khác. Bây giờ, một cặp nhà vật lý lượng tử trẻ tuổi tại Viện Niels Bohr của Đại học Copenhagen – sinh viên Khoa học, bây giờ là Postdoc, Federico Fedele, 29 tuổi và Asst. GS Anasua Chatterjee, 32 tuổi, – làm việc trong nhóm của PGS. Giáo sư Ferdinand Kuemmeth, đã vượt qua được trở ngại này.

Giới thiệu về qubit

Bộ não của máy tính lượng tử mà các nhà khoa học đang cố gắng chế tạo sẽ bao gồm nhiều mảng qubit, tương tự như các bit trên vi mạch điện thoại thông minh. Chúng sẽ tạo nên bộ nhớ của máy.

Sự khác biệt nổi tiếng là trong khi một bit thông thường có thể lưu trữ dữ liệu ở trạng thái 1 hoặc 0, thì một qubit có thể cư trú ở cả hai trạng thái đồng thời – được gọi là chồng chất lượng tử – điều này làm cho tính toán lượng tử mạnh hơn theo cấp số nhân.

Nghiên cứu qubit toàn cầu dựa trên nhiều công nghệ khác nhau. Trong khi Google và IBM đã tiến xa với các bộ xử lý lượng tử dựa trên công nghệ siêu dẫn, nhóm nghiên cứu UCPH đang đặt cược vào các qubit bán dẫn – được gọi là qubit spin .

Federico Fedele giải thích: “Nói rộng ra, chúng bao gồm các spin điện tử bị mắc kẹt trong các cấu trúc nano bán dẫn được gọi là các chấm lượng tử, sao cho các trạng thái spin riêng lẻ có thể được điều khiển và vướng vào nhau.

Các qubit spin có ưu điểm là duy trì trạng thái lượng tử của chúng trong một thời gian dài. Điều này có khả năng cho phép chúng thực hiện các phép tính nhanh hơn và hoàn hảo hơn so với các loại nền tảng khác. Và, chúng rất nhỏ đến mức có thể ép vào một con chip nhiều hơn so với các phương pháp tiếp cận qubit khác. Càng nhiều qubit, sức mạnh xử lý của máy tính càng lớn. Nhóm UCPH đã mở rộng quy mô hiện đại bằng cách chế tạo và vận hành bốn qubit trong mảng 2 × 2 trên một con chip.

Circuitry là ‘tên của trò chơi’

Cho đến nay, trọng tâm lớn nhất của công nghệ lượng tử là tạo ra các qubit ngày càng tốt hơn. Bây giờ là việc khiến họ giao tiếp với nhau, Anasua Chatterjee giải thích:

“Bây giờ chúng ta có một số qubit khá tốt, tên của trò chơi là kết nối chúng trong các mạch có thể vận hành nhiều qubit, đồng thời cũng đủ phức tạp để có thể sửa lỗi tính toán lượng tử. Cho đến nay, nghiên cứu về các qubit spin đã đi đến điểm mà các mạch chứa các mảng 2 × 2 hoặc 3 × 3 qubit. Vấn đề là các qubit của chúng chỉ được xử lý từng lần một. “

Chính ở đây, mạch lượng tử của các nhà vật lý lượng tử trẻ tuổi, được làm từ chất bán dẫn gallium arsenide và không lớn hơn kích thước của vi khuẩn, đã tạo ra tất cả sự khác biệt:

“Điều mới và thực sự quan trọng về con chip của chúng tôi là chúng tôi có thể đồng thời vận hành và đo lường tất cả các qubit. Điều này chưa từng được chứng minh trước đây với qubit spin – cũng như với nhiều loại qubit khác, ”Chatterjee, một trong hai tác giả chính của nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Physical Review X Quantum cho biết .

Giới thiệu về chip

Bốn qubit spin trong chip được làm bằng vật liệu bán dẫn gallium arsenide. Nằm giữa bốn qubit là một chấm lượng tử lớn hơn kết nối bốn qubit với nhau và các nhà nghiên cứu có thể sử dụng để điều chỉnh đồng thời tất cả các qubit.

Có thể hoạt động và đo lường đồng thời là điều cần thiết để thực hiện các phép tính lượng tử. Thật vậy, nếu bạn phải đo qubit khi kết thúc một phép tính – nghĩa là dừng hệ thống để nhận được kết quả – thì các trạng thái lượng tử mong manh sẽ sụp đổ. Do đó, điều quan trọng là phép đo phải đồng bộ, để các trạng thái lượng tử của tất cả các qubit bị ngắt đồng thời. Nếu các qubit được đo từng cái một, tiếng ồn xung quanh dù là nhỏ nhất cũng có thể làm thay đổi thông tin lượng tử trong một hệ thống.

Cột mốc

Sự ra đời của vi mạch mới là một cột mốc quan trọng trên con đường dài dẫn đến máy tính lượng tử bán dẫn.

Giáo sư Kuemmeth, người chỉ đạo nghiên cứu cho biết: “Để có được những bộ xử lý lượng tử mạnh mẽ hơn, chúng tôi không chỉ phải tăng số lượng qubit mà còn phải tăng số lượng các hoạt động đồng thời, đó chính là những gì chúng tôi đã làm”.

Hiện tại, một trong những thách thức chính là 48 điện cực điều khiển của chip cần phải được điều chỉnh bằng tay và được điều chỉnh liên tục bất chấp sự trôi dạt của môi trường, đây là một nhiệm vụ tẻ nhạt đối với con người. Đó là lý do tại sao nhóm nghiên cứu của anh ấy hiện đang xem xét cách các thuật toán tối ưu hóa và máy học có thể được sử dụng để tự động điều chỉnh. Để cho phép chế tạo các mảng qubit lớn hơn nữa, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu làm việc với các đối tác công nghiệp để chế tạo thế hệ chip lượng tử tiếp theo. Nhìn chung, những nỗ lực tổng hợp từ khoa học máy tính, kỹ thuật vi điện tử và vật lý lượng tử sau đó có thể dẫn các qubit spin đến những cột mốc quan trọng tiếp theo.

Tham khảo: “Các hoạt động đồng thời trong một mảng hai chiều của Singlet-Triplet Qubits” của Federico Fedele, Anasua Chatterjee, Saeed Fallahi, Geoffrey C. Gardner, Michael J. Manfra và Ferdinand Kuemmeth, ngày 8 tháng 10 năm 2021, PRX Quantum .
DOI: 10.1103 / PRXQuantum.2.040306

Theo Scitechdaily