Tạo ra trái tim của một máy tính lượng tử: Phát triển Qubit

Một máy tính được treo trên trần nhà. Các đường và vòng dây và ống màu bạc tinh tế kết nối các nền tảng màu vàng. Nó dường như thuộc về một bộ phim khoa học viễn tưởng, có lẽ là anh em họ của HAL năm 2001: A Space Odyssey . Nhưng khi các nhà sản xuất bộ phim năm 1968 đó tưởng tượng ra máy tính có kích thước bằng một con tàu vũ trụ, thì công nghệ này sẽ không bao giờ vượt qua tâm trí của họ – một máy tính lượng tử.

Máy tính lượng tử có tiềm năng giải quyết các vấn đề mà máy tính thông thường không làm được. Các chip máy tính thông thường chỉ có thể xử lý rất nhiều thông tin cùng một lúc và chúng ta đang tiến rất gần đến giới hạn vật lý của chúng. Ngược lại, các đặc tính độc đáo của vật liệu cho tính toán lượng tử có tiềm năng xử lý nhiều thông tin nhanh hơn nhiều.

Những tiến bộ này có thể cách mạng hóa một số lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Việc xác định các vật liệu với các đặc tính cụ thể, hiểu biết về quá trình quang hợp và phát hiện ra các loại thuốc mới đều đòi hỏi một lượng lớn tính toán. Về lý thuyết, điện toán lượng tử có thể giải quyết những vấn đề này nhanh hơn và hiệu quả hơn. Điện toán lượng tử cũng có thể mở ra những khả năng mà chúng ta thậm chí chưa từng xem xét. Nó giống như một lò vi sóng so với một lò nướng thông thường – các công nghệ khác nhau với các mục đích khác nhau.

Nhưng chúng tôi vẫn chưa ở đó. Cho đến nay, một công ty đã tuyên bố máy tính lượng tử của họ có thể hoàn thành một phép tính cụ thể nhanh hơn các siêu máy tính thông thường nhanh nhất thế giới. Các nhà khoa học thường xuyên sử dụng máy tính lượng tử để trả lời các câu hỏi khoa học là một chặng đường dài.

Để sử dụng máy tính lượng tử trên quy mô lớn, chúng ta cần cải tiến công nghệ cốt lõi của chúng – qubit. Qubit là phiên bản lượng tử của dạng thông tin cơ bản nhất của máy tính thông thường, bit. Văn phòng Khoa học của DOE đang hỗ trợ nghiên cứu phát triển các thành phần và công thức để tạo ra những qubit đầy thử thách này.

Sự kỳ lạ lượng tử

Ở quy mô nguyên tử, vật lý trở nên rất kỳ lạ. Các electron, nguyên tử và các hạt lượng tử khác tương tác với nhau khác với các vật thể thông thường. Trong một số tài liệu nhất định, chúng ta có thể khai thác những hành vi kỳ lạ này. Một số thuộc tính này – đặc biệt là chồng chất và vướng víu – có thể cực kỳ hữu ích trong công nghệ máy tính.

Nguyên tắc chồng chất là ý tưởng rằng một qubit có thể ở nhiều trạng thái cùng một lúc. Với các bit truyền thống, bạn chỉ có hai lựa chọn: 1 hoặc 0. Các số nhị phân này mô tả tất cả thông tin trong bất kỳ máy tính nào. Qubit phức tạp hơn.

Hãy tưởng tượng một cái chậu có nước trong đó. Khi bạn đựng nước trong một chiếc nồi có nắp trên, bạn sẽ không biết nó có đang sôi hay không. Nước thật có sôi hoặc không; nhìn vào nó không thay đổi trạng thái của nó. Nhưng nếu cái nồi ở trong lĩnh vực lượng tử, nước (đại diện cho một hạt lượng tử) có thể vừa sôi vừa không sôi cùng một lúc hoặc bất kỳ sự chồng chất tuyến tính nào của hai trạng thái này. Nếu bạn mở nắp nồi lượng tử đó ra, nước sẽ ngay lập tức ở trạng thái này hay trạng thái khác. Phép đo buộc hạt lượng tử (hoặc nước) vào một trạng thái có thể quan sát cụ thể.

Sự vướng víu là khi các qubit có mối quan hệ với nhau khiến chúng không thể hoạt động độc lập. Nó xảy ra khi một hạt lượng tử có một trạng thái (chẳng hạn như spin hoặc điện tích) được liên kết với trạng thái của một hạt lượng tử khác. Mối quan hệ này vẫn tồn tại ngay cả khi các hạt ở xa nhau về mặt vật lý, thậm chí vượt xa khoảng cách nguyên tử.

Các thuộc tính này cho phép máy tính lượng tử xử lý nhiều thông tin hơn so với các bit thông thường chỉ có thể ở một trạng thái duy nhất và chỉ hoạt động độc lập với nhau.

Khai thác thuộc tính lượng tử

Nhưng để có được bất kỳ đặc tính tuyệt vời nào trong số này, bạn cần phải kiểm soát tốt các electron của vật liệu hoặc các hạt lượng tử khác. Theo một số cách, điều này không quá khác biệt so với các máy tính thông thường. Việc các electron có di chuyển hay không qua một bóng bán dẫn thông thường sẽ xác định giá trị của bit, khiến nó trở thành 1 hoặc 0.

Không chỉ đơn giản là bật hoặc tắt luồng điện tử, qubit yêu cầu kiểm soát những thứ phức tạp như spin điện tử. Để tạo ra một qubit, các nhà khoa học phải tìm ra một vị trí trong vật liệu nơi họ có thể truy cập và kiểm soát các thuộc tính lượng tử này. Sau khi tiếp cận chúng, chúng có thể sử dụng ánh sáng hoặc từ trường để tạo ra sự chồng chất, vướng víu và các đặc tính khác.

Trong nhiều vật liệu, các nhà khoa học thực hiện điều này bằng cách điều khiển spin của các electron riêng lẻ. Spin của electron tương tự như spin của đỉnh; nó có hướng, góc và động lượng. Spin của mỗi electron là lên hoặc xuống. Nhưng là một tính chất cơ học lượng tử, spin cũng có thể tồn tại trong sự kết hợp giữa hướng lên và hướng xuống. Để tác động đến spin của điện tử, các nhà khoa học áp dụng vi sóng (tương tự như trong lò vi sóng của bạn) và nam châm. Nam châm và vi sóng kết hợp với nhau cho phép các nhà khoa học điều khiển qubit.

Kể từ những năm 1990, các nhà khoa học đã có thể kiểm soát ngày càng tốt hơn đối với spin của điện tử. Điều đó cho phép họ truy cập các trạng thái lượng tử và thao túng thông tin lượng tử hơn bao giờ hết.

David Awschalom, một nhà vật lý lượng tử tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của DOE và Đại học Chicago, đồng thời là Giám đốc của Sở giao dịch lượng tử Chicago, cho biết: “Để xem nó đã biến đi đâu ngày nay, thật đáng chú ý.

Cho dù chúng sử dụng spin electron hay một cách tiếp cận khác, tất cả các qubit đều phải đối mặt với những thách thức lớn trước khi chúng ta có thể mở rộng quy mô. Hai trong số những điều lớn nhất là thời gian mạch lạc và sửa lỗi.

Khi bạn chạy một máy tính, bạn cần có khả năng tạo và lưu trữ một phần thông tin, để nó một mình và sau đó quay lại để truy xuất. Tuy nhiên, nếu hệ thống lưu giữ thông tin tự thay đổi, thì nó sẽ vô dụng đối với tính toán. Thật không may, các qubit rất nhạy cảm với môi trường xung quanh chúng và không duy trì trạng thái của chúng trong thời gian dài.

Hiện tại, các hệ thống lượng tử phải chịu rất nhiều “nhiễu”, những thứ khiến chúng có thời gian gắn kết thấp (thời gian chúng có thể duy trì tình trạng của mình) hoặc tạo ra lỗi. Danna Freedman, phó giáo sư hóa học tại Đại học Northwestern cho biết: “Đảm bảo rằng bạn luôn nhận được câu trả lời đúng là một trong những trở ngại lớn nhất trong lĩnh vực điện toán lượng tử.

Ngay cả khi bạn có thể giảm tiếng ồn đó, vẫn sẽ có sai sót. Giulia Galli, nhà hóa học và vật lý lượng tử tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của DOE và Đại học Chicago cho biết: “Chúng tôi sẽ phải xây dựng công nghệ có thể sửa lỗi trước khi có thể tạo ra sự khác biệt lớn với tính toán lượng tử.

Bạn càng có nhiều qubit, những vấn đề này càng nhân lên. Trong khi các máy tính lượng tử mạnh nhất hiện nay có khoảng 50 qubit, có khả năng chúng sẽ cần hàng trăm hoặc hàng nghìn để giải quyết các vấn đề mà chúng ta muốn.

Tùy chọn khám phá

Ban giám khảo vẫn chưa rõ công nghệ qubit nào sẽ là tốt nhất. “Không có người chiến thắng thực sự đã được xác định,” Galli nói. “[Những cái khác nhau] có thể có vị trí cho các ứng dụng khác nhau.” Ngoài tính toán, các vật liệu lượng tử khác nhau có thể hữu ích cho cảm biến lượng tử hoặc truyền thông lượng tử được nối mạng.

Để giúp chuyển qubit về phía trước, Văn phòng Khoa học của DOE đang hỗ trợ nghiên cứu một số công nghệ khác nhau. Irfan Siddiqi, nhà vật lý lượng tử tại Phòng thí nghiệm Quốc gia DOE Lawrence Berkeley và Đại học California, Berkeley , cho biết: “Để nhận ra tiềm năng khoa học to lớn của điện toán lượng tử, chúng ta cần phải hình dung lại R&D lượng tử bằng cách đồng thời khám phá một loạt các giải pháp khả thi.

Qubit siêu dẫn

Qubit siêu dẫn hiện là công nghệ qubit tiên tiến nhất. Hầu hết các máy tính lượng tử hiện có sử dụng qubit siêu dẫn, bao gồm cả qubit “đánh bại” siêu máy tính nhanh nhất thế giới. Họ sử dụng bánh mì kẹp kim loại-cách điện-kim loại được gọi là Josephson junctions. Để biến những vật liệu này thành chất siêu dẫn – vật liệu mà dòng điện có thể chạy qua mà không bị thất thoát – các nhà khoa học đã hạ chúng xuống nhiệt độ cực lạnh. Trong số những thứ khác, các cặp electron di chuyển một cách nhất quán trong vật liệu như thể chúng là các hạt đơn lẻ. Sự chuyển động này làm cho các trạng thái lượng tử tồn tại lâu hơn so với các vật liệu thông thường.

Để mở rộng quy mô các qubit siêu dẫn, Siddiqi và các đồng nghiệp của ông đang nghiên cứu cách xây dựng chúng tốt hơn nữa với sự hỗ trợ từ Văn phòng Khoa học. Nhóm của ông đã nghiên cứu cách cải tiến điểm nối Josephson, một rào cản cách điện mỏng giữa hai chất siêu dẫn trong qubit. Bằng cách ảnh hưởng đến cách các điện tử di chuyển, rào cản này giúp nó có thể kiểm soát mức năng lượng của các điện tử. Làm cho điểm nối này nhất quán và nhỏ nhất có thể có thể làm tăng thời gian kết dính của qubit. Trong một bài báo về các điểm nối này , nhóm của Siddiqi cung cấp một công thức để xây dựng một bộ xử lý lượng tử tám qubit, hoàn chỉnh với các thành phần thử nghiệm và hướng dẫn từng bước.

Qubits sử dụng khiếm khuyết

Khiếm khuyết là không gian mà các nguyên tử bị thiếu hoặc đặt sai vị trí trong cấu trúc của vật liệu. Những không gian này thay đổi cách các electron di chuyển trong vật liệu. Trong một số vật liệu lượng tử nhất định, những không gian này bẫy các electron, cho phép các nhà nghiên cứu truy cập và điều khiển spin của chúng. Không giống như chất siêu dẫn, những qubit này không phải lúc nào cũng cần ở nhiệt độ cực thấp. Chúng có tiềm năng có thời gian gắn kết lâu dài và được sản xuất ở quy mô lớn.

Trong khi kim cương thường được đánh giá cao vì thiếu khuyết điểm, nhưng những khuyết tật của chúng thực sự khá hữu ích đối với qubit. Thêm một nguyên tử nitơ vào một nơi mà thông thường sẽ có một nguyên tử cacbon trong kim cương sẽ tạo ra cái gọi là trung tâm trống nitơ. Các nhà nghiên cứu sử dụng Trung tâm Vật liệu nano Chức năng, một cơ sở sử dụng của Văn phòng Khoa học DOE, đã tìm ra cách tạo ra một chiếc bút chì dài chỉ hai nanomet để tạo ra những mẫu khuyết tật này. Khoảng cách này đã giúp tăng thời gian gắn kết của các qubit này và làm cho chúng dễ mắc kẹt hơn.

Nhưng các khuyết tật hữu ích không chỉ giới hạn ở kim cương. Kim cương đắt, nhỏ và khó kiểm soát. Nhôm nitride và silic cacbua rẻ hơn, dễ sử dụng hơn và đã phổ biến trong các thiết bị điện tử hàng ngày. Galli và nhóm của cô đã sử dụng lý thuyết để dự đoán cách biến dạng vật lý nhôm nitride theo đúng cách để tạo ra trạng thái electron cho qubit. Vì chỗ trống nitơ xuất hiện tự nhiên trong nhôm nitrua, các nhà khoa học có thể kiểm soát spin của điện tử trong đó giống như ở kim cương. Một tùy chọn khác, cacbua silicon, đã được sử dụng trong đèn LED, thiết bị điện tử công suất cao và màn hình điện tử. Nhóm nghiên cứu của Awschalom phát hiện ra rằng một số khuyết tật nhất định trong cacbua silic có thời gian kết dính tương đương hoặc lâu hơn so với thời gian kết dính ở các trung tâm trống nitơ trong kim cương . Trong công việc bổ sung, nhóm của Galli đã phát triển các mô hình lý thuyết giải thích thời gian gắn kết dài hơn.

“Dựa trên công việc lý thuyết, chúng tôi bắt đầu kiểm tra những vật liệu này ở quy mô nguyên tử. Chúng tôi nhận thấy rằng các trạng thái lượng tử luôn ở đó, nhưng không ai tìm kiếm chúng, ”Awschalom nói. “Sự hiện diện và hoạt động mạnh mẽ của chúng trong những vật liệu này thật bất ngờ. Chúng tôi đã tưởng tượng rằng các thuộc tính lượng tử của chúng sẽ tồn tại trong thời gian ngắn do tương tác với các spin hạt nhân gần đó ”. Kể từ đó, nhóm của ông đã nhúng các qubit này vào các tấm wafer điện tử thương mại và nhận thấy rằng chúng hoạt động tốt một cách đáng ngạc nhiên. Điều này có thể cho phép họ kết nối các qubit với thiết bị điện tử.

Vật liệu theo thiết kế

Trong khi một số nhà khoa học đang nghiên cứu cách sử dụng các vật liệu hiện có, những người khác đang thực hiện một hướng khác – thiết kế vật liệu từ đầu. Cách tiếp cận này xây dựng phân tử vật liệu tùy chỉnh theo phân tử. Bằng cách tùy chỉnh kim loại, các phân tử hoặc ion liên kết với kim loại và môi trường xung quanh, các nhà khoa học có khả năng kiểm soát trạng thái lượng tử ở cấp độ của một hạt đơn lẻ.

Freedman nói: “Khi bạn đang nói về việc hiểu và tối ưu hóa các thuộc tính của một qubit, việc biết rằng mọi nguyên tử trong một hệ lượng tử đều ở chính xác nơi bạn muốn là điều rất quan trọng,” Freedman nói.

Với cách tiếp cận này, các nhà khoa học có thể giới hạn số lượng spin hạt nhân (spin của hạt nhân nguyên tử) trong môi trường của qubit. Rất nhiều nguyên tử có chứa spin hạt nhân gây ra nhiễu từ khiến cho việc duy trì và kiểm soát spin của điện tử trở nên khó khăn. Điều đó làm giảm thời gian gắn kết của qubit. Freedman và nhóm của cô đã phát triển một môi trường có rất ít spin hạt nhân. Bằng cách thử nghiệm các sự kết hợp khác nhau của dung môi, nhiệt độ và các ion / phân tử gắn với kim loại, họ đã đạt được thời gian kết dính 1 phần nghìn giây trong phân tử có chứa kim loại vanadi. Đó là khoảng thời gian gắn kết lâu hơn nhiều so với bất kỳ ai đã đạt được trong một phân tử trước đây. Trong khi các qubit phân tử trước đây có thời gian kết dính ngắn hơn năm lần so với thời gian của các trung tâm trống nitơ của kim cương, điều này phù hợp với thời gian kết dính trong kim cương.

“Điều đó thực sự gây sốc đối với tôi bởi vì tôi nghĩ rằng các phân tử nhất thiết sẽ là kẻ yếu trong trò chơi này,” Freedman nói. “[Nó] mở ra một không gian rộng lớn cho chúng tôi chơi.”

Những điều bất ngờ trong lượng tử cứ tiếp tục đến. Awschalom đã so sánh tình hình ngày nay của chúng ta với những năm 1950 khi các nhà khoa học khám phá tiềm năng của bóng bán dẫn. Vào thời điểm đó, các bóng bán dẫn dài chưa đến nửa inch. Giờ đây, máy tính xách tay có hàng tỷ chiếc. Điện toán lượng tử đứng ở một vị trí tương tự.

Galli cho biết: “Ý tưởng tổng thể rằng chúng tôi có thể biến đổi hoàn toàn cách thức tính toán và cách nghiên cứu bản chất bằng cách thực hiện mô phỏng lượng tử thực sự rất thú vị. “Cách nhìn cơ bản của chúng tôi về vật liệu, dựa trên mô phỏng lượng tử, cuối cùng có thể hữu ích để phát triển các thiết bị và vật liệu có liên quan đến công nghệ”.

Theo Scitechdaily