Chứng minh thành công kiến trúc Von Neumann lượng tử

Các nhà vật lí ở California khẳng định họ là những người đầu tiên triển khai một phiên bản lượng tử của kiến trúc "Von Neumann" ở máy vi tính cá nhân. Hoạt động trên những mạch siêu dẫn và tích hợp trên một con chip, dụng cụ mới đã được sử dụng để thực hiện hai thuật toán điện toán lượng tử quan trọng. Kiến trúc Von Neumann thông thường bao gồm một bộ xử lí trung tâm (CPU) liên kết với một bộ nhớ lưu trữ dữ liệu và các lệnh.

Máy vi tính lượng tử, khai thác những hiện tượng thuần túy lượng tử như sự chồng chất và sự vướng víu, trên nguyên tắc sẽ có thể vượt qua mặt máy vi tính cổ điển ở những nhiệm vụ nhất định. Tuy nhiên, việc xây dựng một máy vi tính lượng tử trên thực tế vẫn là một thách thức vì các trạng thái lượng tử mà hệ sử dụng thường khó điều khiển và dễ bị phá hỏng.

Trong việc hiện thực hóa kiến trúc Von Neumann bằng những mạch lượng tử siêu dẫn, Matteo Mariantoni và các đồng nghiệp tại trường Đại học California, Santa Barbara, đã tiến một bước quan trọng hướng đến một máy vi tính hoạt động thật sự. Mariantoni cho biết, theo những gì mà ông biết, thì ông và nhóm của mình là những người đầu tiên tạo ra một phiên bản lượng tử như thế của kiến trúc trên.

Ở chính giữa ảnh là một bus lượng tử. Mỗi đầu bus này nối với một qubit (hai hình vuông trong ảnh). Mỗi qubit này sau đó nối với một bộ nhớ lượng tử. Có một thanh ghi zero nằm trong mỗi hình vuông ở chính giữa ảnh. Ảnh: Erik Lucero

Se duyên CPU và bộ nhớ

CPU lượng tử, hay “quCPU”, của nhóm nghiên cứu gồm hai “bit lượng tử pha” siêu dẫn (qubit) nối với nhau bằng một bus truyền dữ liệu cộng hưởng vi sóng siêu dẫn. Một qubit pha là một lớp tiếp xúc Josephson, gồm hai miếng chất siêu dẫn cách nhau một hàng rào cách điện rất mỏng. Các mức logic – 0 và 1 chẳng hạn – được xác định bởi độ lệch pha giữa hai điện cực của lớp tiếp xúc trên.

Mỗi qubit được nối với bộ phận bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên lượng tử (quRAM) của riêng nó, bộ phận này gồm một bộ cộng hưởng siêu dẫn lưu trữ thông tin lượng tử dưới dạng vi sóng bị bắt giữ và một “thanh ghi zero” – một hệ hai mức xóa một qubit thông tin. quRAM tác dụng hiệu quả giống như RAM bình thường bảo quản bản chất lượng tử - như sự vướng víu – của thông tin mà nó lưu trữ.

Bus truyền và quRAM hoạt động ở những tần số cố định, trong khi tần số làm việc của một qubit biến thiên khi có những “xung z” đặc biệt tác dụng vào. Khi tần số của một qubit khớp với tần số của quRAM hoặc bus, thì thông tin lượng tử có thể trao đổi giữa hai bên.

Kiến trúc Von Neumann lượng tử: Hai qubit nối với một bus lượng tử, hiện thực hóa một quCPU. Mỗi qubit đi cùng với một bộ nhớ lượng tử và một thanh ghi zero. Bộ nhớ lượng tử cùng với thanh ghi zero tạo thành quRAM. Ảnh: Peter Allen, UCSB

Những phép tính lượng tử

Để thực hiện một phép tính, đội của Mariantoni bắt đầu với những qubit “mất điều hướng” từ những bộ phận khác. Sau đó thì đưa những xung vi sóng vào, cho hệ tải thông tin lượng tử, trước khi thiết lập những xung z để trao đổi thông tin. Các phép tính lượng tử được thực hiện bằng cách đưa vào thận trọng những chuỗi xung nhất định.

Trong một thí nghiệm, đội nghiên cứu đã thực hiện “phép biến đổi Fourier lượng tử” với độ tin cậy quá trình là 66%. Trong một thí nghiệm khác, Mariantoni và đồng nghiệp sử dụng hệ để triển khai một cổng pha Toffoli OR ba qubit với độ tin cậy pha 98%. Cả hai phép tính này đều được xem là thiết yếu đối với sự hoạt động của máy vi tính lượng tử thực tế.

“Những con số quý giá này là rất đáng khích lệ”, Mariantoni nói. “Tuy nhiên, những con số trên 98% hoặc cao hơn sẽ là cần thiết cho một máy vi tính lượng tử hoạt động trên thực tế”.

Thời gian kết hợp lâu

Một đặc điểm quan trọng khác của hệ là bộ nhớ lượng tử có thể giữ thông tin lượng tử lâu hơn nhiều so với các qubit. “Thời gian kết hợp” lâu như thế là một yêu cầu thực tế khác của một máy vi tính lượng tử. Trong khi độ tin cậy các trạng thái qubit giảm xuống dưới 20% sau khoảng 400 ns, thì độ tin cậy của các bộ nhớ vẫn trên mức 40% trong ít nhất là 1,5 µs.

Đội nghiên cứu hiện đang tìm cách tăng số lượng dụng cụ lượng tử tích hợp trên một con chip. Theo Mariantoni, trong khi việc tăng cường tích hợp là khá dễ, thì việc điều khiển những con chip như vậy cần nhiều phép tính lượng tử hơn. Điều này có nghĩa là thời gian kết hợp của từng bộ phận đơn lẻ phải được nâng lên – yêu cầu vẫn còn là thách thức. Đội nghiên cứu hiện đang xử lí vấn đề này bằng cách tìm những phương pháp cải tiến chất lượng của chất liệu điện môi và kim loại dùng để chế tạo những dụng cụ trên.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science.

Nguồn: physicsworld.com, PhysOrg.com

Bài trước | Bài kế tiếp