Hình minh họa một spin hạt nhân phospho bị vướng víu với spin electron liên kết của nó. Các trạng thái bị vướng víu được gọi là “không thể chia tách”, vì người ta không thể nào mô tả trạng thái của spin hạt nhân mà không đồng thời mô tả trạng thái của spin electron. (Ảnh: Stephanie Simmons)
Một nhóm nghiên cứu quốc tế khẳng định đã tiến thêm một bước thiết yếu hướng đến sự điện toán lượng tử gốc silicon bằng cách làm vướng víu 10 tỉ bit lượng tử, hay “qubit”, giống hệt nhau, bên trong một tinh thể silicon. Đây là lần đầu tiên “sự vướng víu tập thể” được chứng minh ở một dụng cụ bán dẫn.
Trong khi máy tính thông thường lưu trữ dữ liệu dưới dạng các “bit” với giá trị 1 hoặc 0, thì trong điện toán lượng tử, dữ liệu được lưu trữ dưới dạng “qubit”, chúng có thể nhận nhiều hơn một giá trị đồng thời. Qubit là những trạng thái lượng tử lưu trữ trong các photon hay các hạt có thể trở nên “vướng víu” với các trạng thái lượng tử khác, cho phép chúng truyền thông tin tức thời bất kể chúng ở xa nhau bao nhiêu.
Kết quả là máy tính lượng tử có tiềm năng lưu trữ và xử lí những lượng dữ liệu khổng lồ ở những tốc độ chưa có tiền lệ. Điều này có thể cho phép chúng xử lí những bài toán nằm ngoài tầm với của những máy tính điện tử mạnh nhất hiện nay, như việc mô phỏng các quá trình sinh học phức tạp và các hiện tượng kì lạ từ chính thế giới lượng tử.
Một cách tiếp cận điện toán lượng tử có triển vọng là pha tạp chất vào silicon, tạp chất có thể cho đi các electron độc thân vào silicon. Bằng cách này, thông tin lượng tử có thể lưu trữ trong trạng thái spin của electron lẫn hạt nhân cho và những hạt này có thể bị vướng víu để trở thành các cặp qubit. Một lợi thế lớn của phương pháp này là silicon hiện đã được sử dụng bởi ngành công nghiệp máy tính nên nhiều quá trình chế tạo đã có sẵn.
Độ tin cậy cao
Stephanie Simmons tại trường Đại học Oxford, và một đội quốc tế, vừa chứng minh nguyên lí của phương pháp này với việc tạo ra các qubit bằng cách pha tạp các nguyên tử phospho vào một tinh thể silicon. Bằng cách làm lạnh chất liệu của họ xuống đến 3 K và đặt chúng trước các xung vô tuyến và vi sóng, Simmons và các đồng nghiệp của bà đã có thể tạo ra 1010 cặp electron và hạt nhân phospho vướng víu trong cái họ gọi là một “dàn đồng diễn spin”. Họ xác nhận sự vướng víu đến độ tin cậy 98% qua sự phát xạ vi sóng từ tinh thể silicon.
Tinh thể nhỏ màu xám này của silicon-28 đã làm giàu cao được pha tạp với các nguyên tử phospho, và chứa 10 tỉ cặp qubit spin, từng cặp một bị vướng víu đồng thời với nhau. Các chữ cái phông nền khắc trên một đồng 1 penny Anh quốc. (Ảnh: Stephanie Simmons)
“Chúng tôi vừa tạo ra hàng ti bản sao của cùng một thông tin lượng tử trong đó mọi spin hành xử theo kiểu giống nhau”, Simmons nói. Bà cho biết một phần lợi thế của việc tạo ra nhiều bản sao như vậy là để khuếch đại thông tin lượng tử, cho phép các nhà nghiên cứu dễ dàng xác nhận các hạt thật ra có bị vướng víu hay không.
Jeremy O'Brien, một nhà nghiên cứu thông tin lượng tử tại trường Đại học Bristol, tán thành rằng đây là một phát triển quan trọng. Ông bổ sung thêm rằng điều quan trọng là chứng minh khả năng tương tự đối với một hệ spin hạt nhân phospho-electron. “Việc điều khiển và đọc ra từng hạt sẽ là thiết yếu đối với sự điện toán lượng tử, cũng như với khả năng làm vướng víu nhiều hệ spin với nhau”, ông nói. “Bạn muốn trạng thái của một hệ spin ảnh hưởng đến trạng thái của hệ kia để có thể khai thác thật sự sức mạnh của máy tính lượng tử”.
Simmons cho biết nhóm của bà hiện đang nghiên cứu các phương pháp truyền tải thông tin và một phương pháp là gửi các xung điện có điều khiển qua chất liệu để làm các qubit electron chuyển động vật lí. Bà cho biết cá nhân bà bị thôi thúc bởi khả năng điện toán lượng tử và hiệu suất cải thiện mà nó có thể mang lại cho các nghiên cứu khoa học như nghiên cứu sự gấp nếp protein – một quan trọng then chốt trong nhiều tương tác sinh học.
Nghiên cứu này công bố trên tạp chí Nature.
Theo James Dacey – physicsworld.com
