“Mảnh ghép còn thiếu” được phát hiện: Tiến bộ quan trọng trong thiết kế máy tính lượng tử

Các kỹ sư lượng tử từ UNSW Sydney đã loại bỏ một trở ngại lớn cản trở máy tính lượng tử trở thành hiện thực: họ đã phát hiện ra một kỹ thuật mới mà họ cho rằng sẽ có khả năng điều khiển hàng triệu qubit spin – đơn vị thông tin cơ bản trong bộ xử lý lượng tử silicon .

Cho đến nay, các kỹ sư và nhà khoa học máy tính lượng tử đã làm việc với một mô hình bằng chứng về khái niệm của bộ xử lý lượng tử bằng cách chứng minh sự điều khiển của chỉ một số ít qubit.

Nhưng với nghiên cứu mới nhất của họ, được công bố hôm nay (13 tháng 8 năm 2021) trên tạp chí Science Advances , nhóm đã tìm ra thứ mà họ coi là ‘mảnh ghép hình còn thiếu’ trong kiến trúc máy tính lượng tử có thể cho phép kiểm soát hàng triệu qubit cần thiết cho những các phép tính.

Tiến sĩ Jarryd Pla, một giảng viên của Trường Kỹ thuật Điện và Viễn thông UNSW cho biết nhóm nghiên cứu của ông muốn giải quyết vấn đề đã khiến các nhà khoa học máy tính lượng tử đau đầu trong nhiều thập kỷ: làm thế nào để kiểm soát không chỉ một vài, mà hàng triệu qubit mà không chiếm giá trị. không gian có nhiều hệ thống dây điện hơn, sử dụng nhiều điện hơn và tạo ra nhiều nhiệt hơn.

Tiến sĩ Pla nói: “Cho đến thời điểm này, việc điều khiển các qubit spin của electron dựa vào việc chúng ta cung cấp từ trường vi sóng bằng cách đưa dòng điện qua một dây dẫn ngay bên cạnh qubit.

“Điều này đặt ra một số thách thức thực sự nếu chúng tôi muốn mở rộng quy mô lên đến hàng triệu qubit mà một máy tính lượng tử sẽ cần để giải quyết các vấn đề quan trọng trên toàn cầu, chẳng hạn như thiết kế vắc-xin mới.

“Đầu tiên, từ trường giảm rất nhanh theo khoảng cách, vì vậy chúng tôi chỉ có thể kiểm soát những qubit gần dây nhất. Điều đó có nghĩa là chúng tôi sẽ cần thêm ngày càng nhiều dây dẫn khi chúng tôi đưa ngày càng nhiều qubit, điều này sẽ chiếm rất nhiều bất động sản trên chip ”.

Và vì chip phải hoạt động ở nhiệt độ lạnh cóng, dưới -270 ° C, Tiến sĩ Pla nói rằng việc đưa thêm dây vào sẽ tạo ra quá nhiều nhiệt trong chip, ảnh hưởng đến độ tin cậy của qubit.

Tiến sĩ Pla nói: “Vì vậy, chúng tôi quay trở lại việc chỉ có thể điều khiển một vài qubit bằng kỹ thuật dây này.

Khoảnh khắc bóng đèn

Giải pháp cho vấn đề này liên quan đến việc hình dung lại hoàn toàn cấu trúc chip silicon.

Thay vì có hàng nghìn dây điều khiển trên cùng một con chip silicon có kích thước hình thu nhỏ cũng cần chứa hàng triệu qubit, nhóm nghiên cứu đã xem xét tính khả thi của việc tạo ra một từ trường từ phía trên con chip có thể thao tác đồng thời tất cả các qubit.

Ý tưởng điều khiển đồng thời tất cả các qubit này lần đầu tiên được các nhà khoa học máy tính lượng tử đưa ra vào những năm 1990, nhưng cho đến nay vẫn chưa có ai tìm ra cách thực tế để thực hiện điều này.

“Đầu tiên, chúng tôi loại bỏ dây bên cạnh các qubit và sau đó tìm ra một phương pháp mới để cung cấp các trường điều khiển từ trường tần số vi sóng trên toàn bộ hệ thống. Vì vậy, về nguyên tắc, chúng tôi có thể cung cấp các trường điều khiển lên đến bốn triệu qubit, ”Tiến sĩ Pla nói.

Tiến sĩ Pla và nhóm nghiên cứu đã giới thiệu một thành phần mới ngay trên chip silicon – một lăng kính tinh thể được gọi là bộ cộng hưởng điện môi. Khi vi sóng được hướng vào bộ cộng hưởng, nó tập trung bước sóng của vi sóng xuống một kích thước nhỏ hơn nhiều.

“Bộ cộng hưởng điện môi thu nhỏ bước sóng xuống dưới một milimet, vì vậy chúng tôi hiện có một sự chuyển đổi rất hiệu quả công suất vi sóng thành từ trường điều khiển quay của tất cả các qubit.

“Có hai đổi mới chính ở đây. Đầu tiên là chúng ta không phải sử dụng nhiều năng lượng để có được trường truyền động mạnh cho các qubit, điều này quan trọng có nghĩa là chúng ta không tạo ra nhiều nhiệt. Thứ hai là trường rất đồng đều trên chip, do đó hàng triệu qubit đều trải qua cùng một mức độ kiểm soát. “

Như một đội

Mặc dù Tiến sĩ Pla và nhóm của ông đã phát triển công nghệ máy cộng hưởng nguyên mẫu, nhưng họ không có qubit silicon để thử nghiệm nó. Vì vậy, ông đã nói chuyện với đồng nghiệp kỹ sư của mình tại UNSW, Giáo sư Andrew Dzurak của Scientia, người mà nhóm nghiên cứu của họ trong thập kỷ qua đã chứng minh logic lượng tử đầu tiên và chính xác nhất bằng cách sử dụng cùng một công nghệ sản xuất silicon được sử dụng để chế tạo chip máy tính thông thường.

Giáo sư Dzurak nói: “Tôi hoàn toàn choáng váng khi Jarryd đưa ra ý tưởng mới cho tôi, và chúng tôi ngay lập tức bắt tay vào làm việc để xem làm thế nào chúng tôi có thể tích hợp nó với các chip qubit mà nhóm của tôi đã phát triển.

“Chúng tôi đưa hai sinh viên Tiến sĩ giỏi nhất của mình vào dự án, Ensar Vahapoglu từ nhóm của tôi và James Slack-Smith từ Jarryd’s.

“Chúng tôi vui mừng khôn xiết khi thử nghiệm thành công. Vấn đề làm thế nào để kiểm soát hàng triệu qubit đã khiến tôi lo lắng trong một thời gian dài, vì nó là rào cản lớn để xây dựng một máy tính lượng tử quy mô đầy đủ. “

Từng chỉ là mơ ước vào những năm 1980, máy tính lượng tử sử dụng hàng nghìn qubit để giải quyết các vấn đề có ý nghĩa thương mại giờ đây có thể chỉ còn chưa đầy một thập kỷ nữa. Ngoài ra, chúng được kỳ vọng sẽ mang lại sức mạnh mới để giải quyết các thách thức toàn cầu và phát triển công nghệ mới vì khả năng mô hình hóa các hệ thống cực kỳ phức tạp.

Biến đổi khí hậu, thiết kế thuốc và vắc-xin, giải mã mã và trí tuệ nhân tạo đều được hưởng lợi từ công nghệ điện toán lượng tử.

Nhìn về phía trước

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu có kế hoạch sử dụng công nghệ mới này để đơn giản hóa thiết kế của các bộ xử lý lượng tử silicon trong thời gian ngắn.

“Việc loại bỏ dây điều khiển trên chip sẽ giải phóng không gian cho các qubit bổ sung và tất cả các thiết bị điện tử khác cần thiết để xây dựng bộ xử lý lượng tử. Giáo sư Dzurak cho biết: “Nó làm cho nhiệm vụ chuyển sang bước tiếp theo là sản xuất các thiết bị có khoảng vài chục qubit”.

Tiến sĩ Pla cho biết: “Mặc dù có những thách thức kỹ thuật cần giải quyết trước khi có thể tạo ra các bộ xử lý với một triệu qubit, nhưng chúng tôi rất vui mừng vì giờ đây chúng tôi đã có cách để kiểm soát chúng.

Tham khảo: “Cộng hưởng spin đơn electron trong thiết bị điện tử nano sử dụng trường toàn cầu” ngày 13 tháng 8 năm 2021, Science Advances .
DOI: 10.1126 / sciadv.abg9158

Theo Scitechdaily