Đột phá khoa học: giới thiệu module vi xử lý lượng tử đầu tiên trên thế giới

Các nhà vật lý Australia vừa chế tạo thành công một module xử lý đầy đủ có thể thực hiện phép toán OR. Module này gồm một cặp qubit silicon và theo các nhà khoa học, đây là một bước tiến quan trọng hướng tới việc hiện thực hóa khái niệm “máy tính lượng tử phổ quát” với hiệu suất hoạt động cao hơn rất nhiều so với các máy tính tương tự ngày nay.

Dzurak Andrew và Andrea Morello tới từ trường Đại học New South Wales đã làm việc với vấn đề máy tính lượng tử trong nhiều năm. Năm 2010, hai nhà nghiên cứu giới thiệu các transistor lượng tử đơn điện tử đầu tiên, và hai năm sau đó là - qubit silicon, được dựa trên một nguyên tử phốt pho. Trong năm 2013, công nghệ chế tạo qubit silicon được cải tiến bằng cách thu thập, sắp xếp các cấu tử theo nguyên lý hoàn toàn mới để đọc dữ liệu cho độ chính xác 100% và giữ được tính ổn định trong thời gian dài.

Máy tính lượng tử là loại máy tính sử dụng các vật chất lượng tử để tính toán và lưu trữ thông tin. Thông tin được sử dụng thường là trạng thái lượng tử của vật chất. Trạng thái lượng tử thường rất thiếu ổn định và tồn tại trong thời gian rất ngắn cỡ 1 phần triệu giây (micro giây). Mỗi vật lưu trữ thông tin lượng tử được gọi là 1 qubit. Để máy tính có thể chạy, cần phải làm cho các qubit đồng bộ với nhau tạo ra trạng thái liên đới lượng tử (entanglement). Có thể coi tuổi thọ của máy tính lượng tử chính là bằng thời gian hệ thống giữ được trạng thái liên đới.

Trên thực tế, sau khi đã chế tạo thành công module xử lý lượng tử, công việc còn lại của các nhà nghiên cứu là tìm cách kết hợp các qubit bằng công nghệ bán dẫn này để xây dựng bộ nhớ cho máy tính lượng tử. Ban đầu, việc thiết lập liên kết giữa các qubit đơn lẻ chỉ có thể thực hiện được nhờ sử dụng các chất siêu dẫn, hoặc ở nhiệt độ cực thấp.

Nhưng các nhà khoa học đã tìm được giải pháp: họ thay thế nguyên tử của đồng vị hiếm của silic - silic-29 vào qubit của nguyên tử phốt pho. Cấu trúc của qubit được thay đổi để nó gần giống với một transistor trường thông thường vốn được sử dụng trong hầu hết các vi xử lý máy tính. Bằng cách đặt các qubit mới cạnh nhau và liên kết các chân kết nối, các nhà vật lý đã có thể tạo ra bộ nhớ lượng tử. Cấu trúc mới có tên gọi là CNOT có vai trò tương tự như những thiết bị thực hiện phép toán chọn lọc OR trên các vi xử lý truyền thống.

Máy tính thông thường sử dụng 2 đơn vị 0 và 1 để làm đơn vị lưu trữ thông tin cơ bản. Nhưng 1 qubit có thể tồn tại ở rất nhiều trạng thái giữa 0 và 1, kiểu 32% 0 và 68% 1. Do đó trong cùng 1 thời gian, qubit có thể tính toán với tốc độ nhanh hơn máy tính thông thường rất nhiều. Theo lý thuyết, con số đó khoảng hàng vạn lần. Người ta tin rằng một máy tính lượng tử chỉ với 300 qubit có thể có khả năng lưu trữ thông tin của toàn bộ hạt vật chất tồn tại trong vũ trụ! Hệ thống hiện tại thường mới chỉ có 4-6 qubit.

Trên lý thuyết, máy tính lượng tử có thể giải mã bất kỳ file mã hóa nào chỉ với thời gian tính bằng giây. Điều này khiến cho mọi hệ thống bảo mật, mọi dữ liệu lưu trữ đều có thể bị hack chỉ trong chớp mắt. Trong một nội dung mà Edward Snowden công khai trên báo giới, NSA đang xây dựng một máy tính lượng tử có thể vượt qua mọi hàng rào an ninh trong nhiệm vụ theo dõi người dùng Internet của mình.

Dzurak cho biết: "Chúng tôi đã thực hiện được phép tính toán đầu tiên trong con chip silicon lượng tử bằng công nghệ hiện có của ngành công nghiệp bán dẫn. Trong đó, những transistor bình thường đã được “chế” lại để chỉ cho dòng điện chạy qua 1 điện cực".

Ông cũng tiết lộ rằng phòng thí nghiệm của mình đã chế tạo được và đăng kí bằng sáng chế cho công nghệ sản xuất chíp có hàng nghìn qubit. Chúng sẽ vẫn tương tác với nhau bằng công nghệ sẵn có. Dzurak tin rằng, ông và các đồng nghiệp của mình sẽ biến ước mơ về máy tính lượng tử trở thành hiện thực. Hiện nay, ông đang tích cực tìm kiếm đối tác để tạo ra bộ xử lý lượng tử đầy đủ đầu tiên trên thế giới.

Tổng hợp