Lần đầu tiên, các nhà khoa học tạo ra một mạng lưới máy tính lượng tử chỉ trên một chip điện tử

Dù sự trỗi dậy của thiết bị di động và điện toán đám mây có mạnh mẽ nhường này, người ta vẫn coi máy tính là một hệ thống tự vận hành. Và một hệ thống “tự lập” như vậy, sẽ là chỗ dựa cho rất rất nhiều hoạt động cả trực tuyến lẫn ngoại tuyến. Ta có thể gọi chúng là “những chiến binh đơn độc hoàn hảo”.

Điện toán lượng tử được coi là như kẻ hậu duệ sẽ xóa bỏ đi rất nhiều giới hạn, rất nhiều quy chuẩn mà những “chiến binh đơn độc” kia vẽ ra. Thay vì những cỗ máy làm việc tập trung đơn lẻ, những chiếc máy tính lượng tử tương lai sẽ là một hệ thống phân phối mạng tới những chiếc máy tính nhỏ hơn, làm việc song song với nhau.

Một hệ thống máy tính có thể coi là một hệ thống tự duy trì.

Vấn đề của mạng lưới “trong mơ” ấy nằm ở chỗ chúng chưa từng thực hiện được, với quá nhiều lỗi và chúng vận hành một hệ thống không hoàn chỉnh.

Các nhà vật lý học vẫn tìm cách làm chúng hoạt động, bên cạnh đó họ cũng đã đạt được những thành tựu trong dịch chuyển lượng tử như có thể kết nối được các máy tính lượng tử ở khoảng cách rất xa, nhưng việc kết nối những máy tính lượng tử ở khoảng cách gần cũng rất đáng được để tâm nghiên cứu. Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia đã bắt tay vào khám phá một hệ thống như vậy và họ đã thành công. Những nhà khoa học tài ba ấy làm việc cho phòng nghiên cứu nằm trong tập đoàn Sandia, thuộc hãng nghiên cứu và chế tạo kĩ thuật quốc phòng Lockheed Martin của chính phủ Hoa Kỳ. Họ làm việc trực tiếp dưới sự chỉ đạo của Ban An toàn Năng lượng hạt nhân Mỹ.

Các nhà nghiên cứu đã có thể nối liền được nhiều máy tính lượng tử bằng một cầu nối ở mức nguyên tử. Thành công này sẽ dần dẫn tới việc ta có thể xây dựng thành công một mạng lưới máy tính lượng tử dày đặc, mạnh mẽ với những chiếc máy tính lượng tử tí hon.

Một cầu nối chứa các máy tính lượng tử.

Cụ thể hơn, họ đã liên kết những hạt ánh sáng photon với những hạt phát lượng tử (là những nguyên tử bắn ra khỏi photon, chúng mang một tần số khác nhau khi chuyển giao giữa các trạng thái năng lượng). Những hạt photon được phóng ta này tượng trưng cho thông tin, việc các nhà khoa học phải làm là tạo ra một cầu nối giữa các hạt phát ra này (nói cách khác, là liên kết và truyền tải thông tin) trong một khoảng cách ngắn.

“Một giao diện hiệu quả cho photon và các hạt phát lượng tử này liên kết với nhau là một trong những ứng dụng mang tính trung tâm nhất của ngành khoa học lượng tử, nhưng nó cực kì khó thực hiện bởi liên kết giữa một photon đơn lẻ và một hạt phát lượng tử duy nhất là rất yếu”, đội ngũ nghiên cứu viết trong báo cáo của mình.

“Dù ta có được những tiến bộ nhất định trong kiểm soát sóng micro cũng như trong lĩnh vực quan sát quang học, việc nhận ra một thiết bị lượng tử có những qubit thông tin được chứa bởi những photon là một thử thách cực kì lớn”.

Như ta đã biết, qubit là đơn vị đo thông tin lượng tử. Một qubit có thể được sử dụng theo nhiều cách, nhưng ý tưởng chung về qubit là một cách thể hiện thông tin không chri dưới dạng 0 hay 1, mà là những dạng không giới hạn, một tổ hợp của các trạng thái. Đó chính là những trạng thái hạt được chứa trong chip điện tử của đội ngũ nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Sandia. Những thông điệp chứa thông tin lượng tử được vận chuyển chính là các photon.

Một hệ thống vận chuyển hạt như vậy tồn tại dưới dạng một nguyên tử silicon đơn lẻ, được chèn vào trong một mạng lưới ma trận kim cương. Họ làm được điều này bằng cách thay thế một nguyên tử carbon bình thường trong kim cương với một nguyên tử silicon, hạt thay thế ấy sẽ có hiệu ứng phản lại và đẩy các hạt carbon xung quanh nó ra xa.

Kết quả đạt được là hạt silicon thay thế sẽ có được một khoảng trống nhỏ xung quanh nó, mang theo cả tác dụng bảo vệ nó khỏi những dòng điện không đạt chuẩn. Khoảng trống cực nhỏ ấy cũng cho phép bản thân nguyên tử có một sự ổn định nhất định, để có thể tạo nên được một mạng lưới thông tin lượng tử trên con chip.

“Những gì chúng tôi làm được là đặt nguyên tử silicon vào đúng vị trí cần thiết”, một trong những nhà nghiên cứu, Ryan Camacho nói. “Chúng tôi có thể tạo ra hàng ngàn điểm thay thế silicon như vậy, mỗi điểm thay thế đều là một thiết bị lượng tử có khả năng hoạt động. Trước đây, việc tìm ra một hiện tượng phóng hạt đủ mạnh để có thể truyển tải được thông tin là cực kì khó khăn”.

Để xây dựng được một cỗ máy lượng tử hợp nhất với quy mô lớn là một thử thách cực kì khó khăn, nhưng các nhà khoa học đã có những bước tiến rất lớn khi họ tạo ra được một hệ thống dù chỉ ở quy mô nhỏ. Khả năng tạo nên một mạng lưới liên kết lớn với những nguyên tử silicon liên kết và truyền được thông tin như thế này có lẽ sẽ là một phương pháp tiếp cận trực tiếp hơn bao giờ hết để vượt qua những trở ngại lượng tử mà ta vẫn thường gặp.

Tham khảo Motherboard