Bước tiến mới trong vật liệu cho điện toán lượng tử

Thứ Hai, 09-03-2015, 09:24
Bít lượng tử (qubit) có nhiều trạng thái hơn là 0 và 1

NDĐT - Các nhà nghiên cứu của trường đại học California Santa Barbara (UCSB) và Google đã giải quyết được một vấn đề quan trọng của vật liệu điện toán lượng tử là đã có thể phát hiện ra bít lượng tử bị lỗi do tính dễ vỡ của vật liệu lượng tử.

Cho dù tính toán lượng tử (quantum computing) vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết nhưng các chuyên gia trong lĩnh vực này cho rằng đây là một bước đi quan trọng để chế tạo ra một máy tính lượng tử hoàn chỉnh.

Máy tính lượng tử sau khi được hoàn thiện có khả năng tính toán các vấn đề mà máy tính thông thường phải mất hàng triệu năm để hoàn thành. Khác với công nghệ máy tính hiện tại dựa trên bít nhị phân với hai trạng thái là 0 và 1 để lưu trữ số liệu và tính toán, thì điện toán lượng tử sử dụng cơ học lượng tử thông qua bít lượng tử (qubit) có nhiều trạng thái hơn để lưu trữ và tính toán.

Các nhà nghiên cứu thuộc trường đại học UCSB và Google đã chứng minh khả năng chương trình hóa các nhóm bít lượng tử để phát hiện ra lỗi dễ vỡ “fragile” của bít lượng tử để tránh lỗi này làm đổ vỡ các phép toán.

Nghiên cứu mới này được dẫn đầu bởi giáo sư John Martinis của trường đại học UCSB. Năm ngoái, giáo sư Martinis đã cùng Google thành lập phòng thí nghiệm nghiên cứu điện toán lượng tử.

Giáo sử Martinis hiện đang giữ vị trí điều phối giữa trường đại học UCSB và Google để nghiên cứu các vi mạch nhôm siêu dẫn. Hầu hết công việc để cho ra kết quả mới này đã được giáo sư Martinis thực hiện trước khi gia nhập Google.

Google đã bắt đầu nghiên cứu điện toán lượng tử từ năm 2009 khi họ hợp tác cùng với D-Wave Systems để bắt đầu một kế hoạch sản xuất máy tính lượng tử thương mại đầu tiên trên thế giới. Trong khi đó, Microsoft cũng đang có một chương trình nghiên cứu về điện toán lượng tử có quy mô khá lớn.

Để làm các máy tính lượng tử yêu cầu kết nối nhiều bít lượng tử làm việc trên cơ sở thông tin với nhau. Nhưng những bít lượng tử này rất dễ lỗi bởi chúng hiển thị trạng thái dữ liệu 0s và 01s trên cơ chế lượng tử chỉ có thể đọc được ở nhiệt độ siêu lạnh và phạm vi rất nhỏ. Điều này cho phép bít lượng tử có thể đạt được những siêu trạng thái khi cùng có giá trị 0 và 1 tại một thời điểm để cho phép máy tính lượng tử có thể tính toán rất nhanh các bài toán rất phức tạp.

Nhưng điều này đồng thời cũng tạo ra điểm yếu của bít lượng tử như nhiệt độ hay tác động khác có thể làm thay đổi hay phá vỡ trạng thái lượng tử được sử dụng để mã hóa thông tin và thực hiện tính toán. Sự phá vỡ trạng thái của bít lượng tử này được gọi là “dễ vỡ” (fragile) và là vấn đề khó khăn nhất hiện nay trong phát triển điện toán lượng tử.

Có rất nhiều nhóm nghiên cứu đã tập trung vào nghiên cứu đưa ra một hệ thống gồm các bít lượng tử để có thể phát hiện và sửa lỗi. Nhóm của giáo sư Martinis đã mô phỏng một nhóm các bít lượng tử để phát hiện lỗi. Các nhà nghiên cứu đã lập trình một vi mạch có chín bít lượng tử giám sát lẫn nhau để phát hiện bít lượng tử bị lỗi. Các bít lượng tử khi bị lỗi thì không thể khắc phục được nhưng có thể đưa ra các hành động để đảm bảo rằng bít lượng tử lỗi này không tham gia vào các bước tính toán tiếp theo.

Nhà vật lý học Daniel Gottesman, một chuyên gia về sửa lỗi trong lượng tử học và đang làm việc tại viện Perimeter Institute, cho rằng còn nhiều việc phải làm trước khi hoàn tất việc đảm bảo được chống lỗi dễ vỡ trong bít lượng tử. Nhưng ông Gottesman cho rằng việc này sắp được hoàn thành.

Cho dù những yêu cầu về vật liệu lượng từ là không bình thường thì việc giáo sư Martinis và đồng nghiệp chỉ ra bít lượng tử bị lỗi bằng các thuật toán kinh điển chạy trên máy tính bình thường là một bước đi quan trọng. Những loại phức tạp hơn của lỗi là khi các tính chất của bít lượng tử bị thay đổi bởi nhiễu môi trường chỉ có thể phát hiện ra bằng các thuật toán phức tạp hơn. Ông Austin Fowler, một kỹ sư về điện lượng tử đang làm việc tại Google, cho biết nhóm của ông đang làm việc ở vấn đề này và chỉ ra lỗi khi có hơn chín bít lượng tử.

Tuy nhiên, những kết quả gần đây của giáo sư Martinis và một số nhóm khác đã làm nhà vật lý học Gottesman lạc quan rằng kỹ thuật sửa lỗi đầy đủ cho vật liệu lượng tử đã gần đạt được kết quả. Ông Gottesman cho biết từ những gì nhìn thấy ở nhóm của giáo sư Martinis và một số nhóm khác thì chúng ta có thể có đạt được thành công trong vòng vài năm tới.

HẢI LY