ETH Zurich tạo đột phá với mảng 17.000 qubit đạt độ chính xác 99,91%

Các nhà nghiên cứu tại ETH Zurich đã hiện thực hóa các phép toán logic lượng tử đặc biệt ổn định với qubit được làm từ nguyên tử trung tính. Vì các thao tác này, được gọi là cổng lượng tử (quantum gates), dựa trên các pha hình học nên chúng cực kỳ bền vững trước nhiễu thí nghiệm và có thể được sử dụng trong máy tính lượng tử trong tương lai.

Mô phỏng các nguyên tử trong lattice quang học

Thách thức với nguyên tử trung tính

Qubit, hay bit lượng tử, là thành phần bắt buộc để xây dựng máy tính lượng tử và tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau. Trong những năm gần đây, nhiều viện nghiên cứu và công ty đã tập trung vào mạch siêu dẫn và ion bẫy. Tuy nhiên, nguyên tử trung tính bị giữ lại bằng ánh sáng laser cũng có nhiều ưu điểm: vì chúng không mang điện tích nên chúng ít nhạy cảm với các nhiễu loạn. Hơn nữa, việc bẫy bằng ánh sáng laser giúp dễ dàng hiện thực hóa hàng nghìn qubit trong một hệ thống duy nhất – điều này khó thực hiện hơn nhiều khi sử dụng siêu dẫn hoặc ion.

Tuy nhiên, nguyên tử trung tính cũng có những vấn đề riêng của mình. Trong máy tính lượng tử, qubit tồn tại trong các trạng thái chồng chập của các giá trị logic 0 và 1. Để thực hiện tính toán với chúng, người ta cần thực hiện các phép toán logic lượng tử, còn được gọi là cổng lượng tử.

Đối với các cổng lượng tử như vậy cho đến nay, các trạng thái điện tử kích thích cao (nguyên tử Rydberg) hoặc sự va chạm giữa các nguyên tử, cũng như hiệu ứng đường hầm, chủ yếu được sử dụng. Tuy nhiên, đặc biệt là hiệu ứng đường hầm – whereby particles can go through obstacles that would be unsurmountable according to classical physics – phụ thuộc rất nhiều vào cường độ của ánh sáng laser. Ngay cả những khuyết điểm nhỏ hoặc dao động cũng có thể làm giảm mạnh chất lượng của cổng lượng tử.

Giải pháp từ pha hình học

Một nhóm nghiên cứu tại ETH Zurich do Giáo sư Tilman Esslinger từ Viện Điện tử Lượng tử đứng đầu đã thành công trong việc hiện thực hóa cái gọi là cổng hoán đổi (swap gate), hay một sự trao đổi lượng tử, với chất lượng cực cao chỉ sử dụng một pha hình học. Pha hình học này làm cho trạng thái của các hạt thay đổi tùy thuộc vào đường đi chúng thực hiện, và không phải do các nhiễu loạn bên ngoài. Điều này làm cho hệ thống rất bền vững trước nhiễu thí nghiệm.

Hơn nữa, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng cổng này có thể được áp dụng cho hàng nghìn qubit cùng một lúc. Các kết quả, được công bố gần đây trên tạp chí khoa học Nature, đã mở đường cho sự tiến bộ trong tương lai của máy tính lượng tử sử dụng nguyên tử trung tính.

Swap gate trao đổi trạng thái lượng tử của hai qubit. Ví dụ, nếu ban đầu qubit A ở trạng thái 0 và qubit B ở trạng thái 1, sau khi thực hiện swap gate, qubit A sẽ ở trạng thái 1 và qubit B sẽ ở trạng thái 0. Các cổng hoán đổi rất quan trọng cho việc định tuyến thông tin lượng tử trong một máy tính lượng tử lớn.

Kỷ lục về độ chính xác và quy mô

"Cách đây vài năm, các nhà nghiên cứu đã quản lý để hiện thực hóa các cổng như vậy sử dụng nguyên tử trung tính ở trạng thái năng lượng thấp nhất, mặc dù là bằng cách khai thác các pha động do đường hầm và va chạm", nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Yann Kiefer cho biết. Các pha động phát sinh khi các hạt chuyển động trong không gian hoặc tương tác với nhau. Các pha này sau đó xác định trạng thái dao động của hàm sóng cơ học lượng tử của các hạt, ảnh hưởng đến xác suất để các hạt được quan sát trong một trạng thái lượng tử cụ thể.

Ngược lại, các pha hình học trừu tượng hơn. Chúng xuất hiện, ví dụ, khi hướng quay của electron spin thay đổi. Khi spin được xoay 360 độ, nó kết thúc bằng cách chỉ theo cùng một hướng, nhưng pha của hàm sóng của nó giờ đây khác đi 180 độ.

Thiết lập thí nghiệm với các nguyên tử kali lạnh

Theo cách tương tự, Esslinger và nhóm của mình đã có thể hiện thực hóa một swap gate. Để làm điều này, họ bẫy các nguyên tử kali cực lạnh trong các lattice quang học, trong đó các nguyên tử được giữ tại chỗ trong một loại tinh thể ánh sáng nhân tạo. Bằng cách thao tác khéo léo các chùm tia laser, họ hiện có thể đưa các cặp nguyên tử – có trạng thái spin đóng vai trò là qubit – lại gần nhau đến mức các hàm sóng của chúng chồng lên nhau trong không gian.

Vì các nguyên tử kali được sử dụng là fermion, theo các định luật của cơ học lượng tử thì không được phép ở cùng một trạng thái lượng tử chính xác, nên sự thao tác này dẫn đến một pha hình học. "Khác với các pha động, pha hình học này phần lớn độc lập với tốc độ chúng tôi thao tác các nguyên tử, hay cường độ laser dao động mạnh như thế nào trong quá trình", Konrad Viebahn, trưởng nhóm trẻ cho thí nghiệm giải thích.

Kết quả là một cổng hoán đổi cực kỳ mạnh mẽ trao đổi trạng thái của hai qubit trong chưa đến một mili-giây với độ chính xác 99,91% – đồng thời cho 17.000 cặp qubit!

Hướng đi tương lai

"Chúng tôi hiện có thể tạo ra nhiều cổng hoán đổi với nguyên tử trung tính", Tilman Esslinger nói, "nhưng tất nhiên chúng tôi vẫn cần một vài thành phần khác để xây dựng một máy tính lượng tử hoạt động được". Theo Esslinger, một trong những bước tiếp theo là kết hợp các cổng hoán đổi với một kính hiển vi khí lượng tử (quantum gas microscope). Khi đó, sẽ có thể làm cho các cặp qubit riêng lẻ hiển thị được và thao tác chúng một cách chọn lọc. Theo cách này, các cổng hoán đổi chỉ có thể được áp dụng cho các qubit cụ thể.

Hơn nữa, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng họ có thể hiện thực hóa các cổng hoán đổi "một nửa" bằng cách thêm sự va chạm giữa các nguyên tử. Các cổng như vậy khiến các qubit trở nên rối lượng tử (entangled) với nhau, đây là điều kiện tiên quyết để thực hiện các thuật toán lượng tử.