Điện toán lượng tử: Một nhóm các nhà vật lý từ Trung tâm Nguyên tử Siêu lạnh Harvard-MIT và các trường đại học khác đã phát triển một loại máy tính lượng tử đặc biệt được gọi là mô phỏng lượng tử có thể lập trình có khả năng hoạt động với 256 bit lượng tử, hoặc “qubit”.
Hệ thống này đánh dấu một bước tiến lớn trong việc xây dựng các máy lượng tử quy mô lớn có thể được sử dụng để làm sáng tỏ một loạt các quá trình lượng tử phức tạp và cuối cùng giúp mang lại những đột phá trong thế giới thực trong khoa học vật liệu, công nghệ truyền thông, tài chính và nhiều lĩnh vực khác, vượt qua các rào cản nghiên cứu vượt quá khả năng của ngay cả những siêu máy tính nhanh nhất hiện nay. Qubit là các khối xây dựng cơ bản mà trên đó máy tính lượng tử chạy và là nguồn gốc của sức mạnh xử lý khổng lồ của chúng.
“Điều này đưa lĩnh vực này sang một lĩnh vực mới mà cho đến nay chưa có ai đến”, Mikhail Lukin, Giáo sư Vật lý George Vasmer Leverett, đồng giám đốc sáng kiến lượng tử Harvard, và là một trong những tác giả cao cấp của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature. “Chúng ta đang bước vào một phần hoàn toàn mới của thế giới lượng tử.”
Theo Sepehr Ebadi, một sinh viên vật lý tại Trường Nghệ thuật và Khoa học sau đại học và là tác giả chính của nghiên cứu, chính sự kết hợp giữa kích thước và khả năng lập trình chưa từng có của hệ thống đã đặt nó vào cạnh cắt của cuộc đua cho một máy tính lượng tử, khai thác các tính chất bí ẩn của vật chất ở quy mô cực kỳ nhỏ để thúc đẩy đáng kể sức mạnh xử lý. Trong những trường hợp thích hợp, sự gia tăng qubit có nghĩa là hệ thống có thể lưu trữ và xử lý nhiều thông tin theo cấp số nhân hơn các bit cổ điển mà máy tính tiêu chuẩn chạy.
“Số lượng trạng thái lượng tử có thể có với chỉ 256 qubit vượt quá số lượng nguyên tử trong hệ mặt trời”, Ebadi nói, giải thích kích thước rộng lớn của hệ thống.
Hiện tại, mô phỏng đã cho phép các nhà nghiên cứu quan sát một số trạng thái lượng tử kỳ lạ của vật chất chưa bao giờ được thực hiện bằng thực nghiệm và thực hiện một nghiên cứu chuyển tiếp pha lượng tử chính xác đến mức nó đóng vai trò là ví dụ sách giáo khoa về cách từ tính hoạt động ở cấp độ lượng tử.
Những thí nghiệm này cung cấp những hiểu biết mạnh mẽ về vật lý lượng tử cơ bản thuộc tính vật chất và có thể giúp các nhà khoa học chỉ ra cách thiết kế vật liệu mới với các tính chất kỳ lạ.
Dự án sử dụng một phiên bản nâng cấp đáng kể của một nền tảng mà các nhà nghiên cứu đã phát triển vào năm 2017, có khả năng đạt kích thước 51 qubit. Hệ thống cũ hơn đó cho phép các nhà nghiên cứu nắm bắt các nguyên tử rubidi cực lạnh và sắp xếp chúng theo một thứ tự cụ thể bằng cách sử dụng một mảng một chiều của các chùm tia laser tập trung cá nhân được gọi là nhíp quang học.
Hệ thống mới này cho phép các nguyên tử được lắp ráp trong các mảng hai chiều của nhíp quang học. Điều này làm tăng kích thước hệ thống có thể đạt được từ 51 lên 256 qubit. Sử dụng nhíp, các nhà nghiên cứu có thể sắp xếp các nguyên tử trong các mẫu không có khiếm khuyết và tạo ra các hình dạng có thể lập trình như chốt vuông, tổ ong hoặc hình tam giác để thiết kế các tương tác khác nhau giữa các qubit.
“Con ngựa của nền tảng mới này là một thiết bị được gọi là bộ điều biến ánh sáng không gian, được sử dụng để định hình mặt sóng quang học để sản xuất hàng trăm chùm nhíp quang học tập trung vào cá nhân”, Ebadi nói. “Những thiết bị này về cơ bản giống như những gì được sử dụng bên trong máy chiếu máy tính để hiển thị hình ảnh trên màn hình, nhưng chúng tôi đã điều chỉnh chúng để trở thành một thành phần quan trọng trong trình mô phỏng lượng tử của chúng tôi.”
Việc tải các nguyên tử ban đầu vào nhíp quang học là ngẫu nhiên và các nhà nghiên cứu phải di chuyển các nguyên tử xung quanh để sắp xếp chúng vào hình học mục tiêu của chúng. Các nhà nghiên cứu sử dụng một bộ nhíp quang học di chuyển thứ hai để kéo các nguyên tử đến vị trí mong muốn của chúng, loại bỏ sự ngẫu nhiên ban đầu. Laser cung cấp cho các nhà nghiên cứu toàn quyền kiểm soát vị trí của các qubit nguyên tử và thao tác lượng tử mạch lạc của chúng.
Các tác giả cao cấp khác của nghiên cứu bao gồm các giáo sư Harvard Subir Sachdev và Markus Greiner, những người đã làm việc trong dự án cùng với Giáo sư Viện Công nghệ Massachusetts Vladan Vuleti?, và các nhà khoa học từ Stanford, Đại học California Berkeley, Đại học Innsbruck ở Áo, Viện Hàn lâm Khoa học Áo và QuEra Computing Inc. ở Boston.
“Công việc của chúng tôi là một phần của cuộc đua toàn cầu thực sự căng thẳng, có khả năng hiển thị cao để xây dựng các máy tính lượng tử lớn hơn và tốt hơn”, Tout Wang, một cộng tác viên nghiên cứu về vật lý tại Harvard và là một trong những tác giả của bài báo cho biết. “Nỗ lực tổng thể [ngoài nỗ lực của chúng tôi] có các tổ chức nghiên cứu học thuật hàng đầu liên quan và đầu tư lớn của khu vực tư nhân từ Google, IBM, Amazon và nhiều tổ chức khác.”
Các nhà nghiên cứu hiện đang làm việc để cải thiện hệ thống bằng cách cải thiện kiểm soát laser trên qubit và làm cho hệ thống có thể lập trình hơn. Họ cũng đang tích cực khám phá cách hệ thống có thể được sử dụng cho các ứng dụng mới, từ thăm dò các dạng vật chất lượng tử kỳ lạ đến giải quyết các vấn đề trong thế giới thực đầy thách thức có thể được mã hóa tự nhiên trên các qubit.
“Công trình này cho phép một số lượng lớn các hướng khoa học mới”, Ebadi nói. “Chúng tôi không ở gần giới hạn của những gì có thể được thực hiện với các hệ thống này.”
Công trình này được hỗ trợ bởi Trung tâm Nguyên tử siêu lạnh, Quỹ Khoa học Quốc gia, Học bổng Khoa Vannevar Bush, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Văn phòng Nghiên cứu Hải quân, Văn phòng Nghiên cứu Quân đội MURI và chương trình DARPA ONISQ.
Nguồn:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Harvard. Tác giả: Juan Siliezar. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa theo kiểu và độ dài.
Tài liệu tham khảo tạp chí:
- Sepehr Ebadi, Tout T. Wang, Harry Levine, Alexander Keesling, Giulia Semeghini, Ahmed Omran, Dolev Bluvstein, Rhine Samajdar, Hannes Pichler, Wen Wei Ho, Soonwon Choi, Subir Sachdev, Markus Greiner, Vladan Vuletić, Mikhail D. Lukin. Các pha lượng tử của vật chất trên một mô phỏng lượng tử có thể lập trình 256 nguyên tử. Thiên nhiên,2021; 595 (7866): 227 DOI: 10.1038/s41586-021-03582-4