Các nhà vật lý đạt tới đột phá tính toán qubit

Các nhà nghiên cứu trường đại học bang Arizona, Mỹ và trường đại học Chiết Giang, Trung Quốc, cùng với hai nhà vật lý lý thuyết Anh đã có thể chứng minh lần đầu tiên một số lượng lớn các bit lượng tử, hay các qubit, có thể được điều chỉnh để chuyển sang tương tác với nhau trong khi vẫn duy trì được sự liên kết trong một khoảng thời gian dài chưa từng có, trong một bộ xử lý siêu dẫn ở trạng thái rắn, có thể lập trình được.

Trước đây, chỉ có thể thực hiện điều này trong các hệ nguyên tử Rydberg.

Trong bài báo xuất bản mới đây trên tạp chí Nature Physics, Ying-Cheng Lai, giáo sư ASU Regents, cựu nghiên cứu sinh ASU Lei Ying và nhà thực nghiệm Haohua Wang, hiện đều là giáo sư của trường đại học Chiết Giang, đã chứng tỏ sự xuất hiện của các trạng thái scarring hệ nhiều hạt lượng tử (QMBS) như một cơ chế hiệu quả để duy trì sự gắn kết giữa các qubit có tương tác. Các trạng thái lượng tử lạ như vậy đề xuất ứng dụng khả năng rối đa hạt mở rộng thực tại cho rất nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ thông tin lượng tử để có được các bộ xử lý tốc độ cao và tiêu tốn ít năng lượng.

“Các trạng thái QMBS cho thấy năng lực bên trong và năng lực chung của hiện tượng rối giữa nhiều hạt. điều này khiến cho chúng vô cùng dễ dẫn đến nhiều loại ứng dụng như cảm biến lượng tử và đo lường”, Ying giải thích.

Các máy tính cổ điển, hoặc máy tính nhị phân phụ thuộc vào các bộ transistor – vốn chỉ có thể thể hiện ‘1’ hoặc ‘0’ tại một thời điểm. Trong máy tính lượng tử, các qubit có thể cùng một lúc vừa là 0 vừa là 1, qua đó có thể gia tốc các quá trình xử lý tính toán.

“Trong khoa học và công nghệ thông tin lượng tử, thường cần tập hợp một số lượng lớn thông tin cơ bản – các đơn vị xử lý – các qubit – lại với nhau”, Lai giải thích. “Với những ứng dụng như tính toán lượng tử, việc lưu giữ sự gắn kết bậc cao hoặc rối lượng tử giữa những qubit là điều thiết yếu.

“Tuy nhiên, những tương tác không thể tránh giữa các qubit và nhiễu môi trường có thể làm hỏng sự gắn kết trong khoảng thời gian rất ngắn – chỉ trong khoảng 10 nano giây. Sở dĩ như vậy là vì nhiều qubit gắn kết để tạo thành một hệ nhiều hạt”, Lai nói.

Yếu tố chính của nghiên cứu này là nhìn vào độ trễ nhiệt để giữ sự gắn kết, được coi như một mục tiêu nghiên cứu vô cùng khó trong máy tính lượng tử.

“Từ góc nhìn của vật lý cơ bản, chúng ta biết là trong một hệ có nhiều hạt tương tác, ví dụ như vậy, các phân tử trong một khối lượng đóng, quá trình nhiệt hóa sẽ xuất hiện. Sự xáo trộn giữa nhiều qubit sẽ luôn luôn dẫn đến kết quả gia nhiệt lượng tử – quá trình được miêu tả bằng giả thuyết nhiệt hóa Eigenstate (Eigenstate Thermalization Hypothesis) sẽ phá hủy sự gắn kết giữa các qubit”, Lai nói.

Theo lời Lai, phát hiện này đưa tính toán lượng tử hướng đến việc có nhiều ứng dụng trong mật mã, truyền thông bảo mật và an ninh mạng… cùng nhiều công nghệ khác.

Lê Anh Vũ tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2022-10-physicists-qubit-breakthrough.html

https://news.asu.edu/20221021-discoveries-asu-zhejiang-university-reach-qubit-computing-breakthrough