Vào cuối năm ngoái, gã khổng lồ công nghệ IBM đã công bố một điều có vẻ giống như một cột mốc quan trọng trong điện toán lượng tử: con chip đầu tiên, được gọi là Condor, với hơn 1,000 bit lượng tử hay qubit. Cho rằng chỉ hai năm sau khi công ty trình làng Eagle, con chip đầu tiên có hơn 100 qubit, có vẻ như lĩnh vực này đang chạy đua về phía trước. Việc tạo ra các máy tính lượng tử có thể giải quyết các vấn đề hữu ích nằm ngoài phạm vi của những siêu máy tính cổ điển mạnh nhất hiện nay đòi hỏi phải mở rộng chúng hơn nữa - có thể lên tới hàng chục hoặc hàng trăm nghìn qubit. Nhưng đó chắc chắn chỉ là vấn đề kỹ thuật, phải không?

Không cần thiết. Những thách thức của việc mở rộng quy mô lớn đến mức một số nhà nghiên cứu cho rằng nó sẽ yêu cầu phần cứng hoàn toàn khác với các thiết bị vi điện tử được IBM và Google sử dụng. Các qubit trong Condor và trong chip Sycamore của Google được tạo thành từ các vòng vật liệu siêu dẫn. Những qubit siêu dẫn này cho đến nay vẫn là con thỏ trong cuộc đua tới điện toán lượng tử quy mô đầy đủ. Nhưng bây giờ có một con rùa đến từ phía sau: qubit được tạo ra từ các nguyên tử riêng lẻ.

Những tiến bộ gần đây đã biến những “qubit nguyên tử trung tính” này từ kẻ ngoài cuộc thành đối thủ hàng đầu.

Nhà vật lý Mark Saffman của Đại học Wisconsin, Madison, người đã đếm ít nhất năm công ty đang chạy đua để thương mại hóa điện toán lượng tử nguyên tử trung tính: “Hai hoặc ba năm qua đã chứng kiến ​​​​những tiến bộ nhanh chóng hơn bất kỳ giai đoạn nào trước đó”.

Giống như các bit trong máy tính thông thường, qubit mã hóa thông tin nhị phân - 1 và 0. Nhưng trong khi một bit luôn ở trạng thái này hay trạng thái kia, thì thông tin trong qubit có thể không được xác định, trong cái gọi là “chồng chất” mang lại trọng số cho cả hai khả năng. Để thực hiện tính toán, các qubit được liên kết bằng hiện tượng gọi là vướng víu lượng tử, khiến các trạng thái có thể có của chúng phụ thuộc lẫn nhau. Một thuật toán lượng tử cụ thể có thể yêu cầu sự vướng víu liên tiếp giữa các bộ qubit khác nhau và câu trả lời được đọc ở cuối quá trình tính toán khi thực hiện phép đo, thu gọn từng chồng chất xuống mức 1 hoặc 0 xác định.

Ý tưởng sử dụng trạng thái lượng tử của các nguyên tử trung hòa để mã hóa thông tin theo cách này là đề xuất vào đầu những năm 2000 bởi nhà vật lý Harvard Mikhail lukin và các đồng nghiệp, và Ngoài ra bởi một nhóm do Ivan tiếng Đức của Đại học New Mexico. Trong một thời gian dài, cộng đồng nghiên cứu rộng rãi hơn đã đồng ý rằng về nguyên tắc, điện toán lượng tử nguyên tử trung tính là một ý tưởng tuyệt vời, Lukin nói, nhưng “nó không thành công” trên thực tế.

Saffman nói: “Nhưng 20 năm sau, các phương pháp khác vẫn chưa kết thúc được thỏa thuận. “Và bộ kỹ năng cũng như các kỹ thuật cần thiết để làm cho các nguyên tử trung tính hoạt động đang dần phát triển đến mức chúng trông rất hứa hẹn.”

Phòng thí nghiệm của Lukin tại Harvard nằm trong số những phòng thí nghiệm dẫn đầu. Vào tháng 12, anh và đồng nghiệp báo cáo rằng họ đã tạo ra các mạch lượng tử có thể lập trình được với hàng trăm qubit nguyên tử trung tính và đã thực hiện các phép tính lượng tử và sửa lỗi với chúng. Và trong tháng này, một nhóm tại Viện Công nghệ California báo cáo rằng họ đã tạo ra một dãy 6,100 qubit nguyên tử. Những kết quả như vậy ngày càng thu hút nhiều người chuyển đổi sang phương pháp này.

“Mười năm trước, tôi sẽ không đưa vào các phương pháp [nguyên tử trung tính] này nếu tôi đặt cược vào tương lai của điện toán lượng tử,” nói Andrew Steane, một nhà lý thuyết thông tin lượng tử tại Đại học Oxford. “Đó có thể là một sai lầm.”

Trận chiến Qubit

Một vấn đề quan trọng trong cuộc cạnh tranh giữa các loại qubit là mỗi loại qubit có thể duy trì trạng thái chồng chất của nó trong bao lâu trước khi bị thay đổi bởi một số biến động ngẫu nhiên (ví dụ như nhiệt). Đối với các qubit siêu dẫn như của IBM và Google, “thời gian kết hợp” này thường cao nhất là khoảng một phần nghìn giây. Tất cả các bước tính toán lượng tử phải diễn ra trong khung thời gian đó.

Một lợi thế của việc mã hóa thông tin ở trạng thái của từng nguyên tử là thời gian kết hợp của chúng thường dài hơn nhiều. Hơn nữa, không giống như các mạch siêu dẫn, các nguyên tử thuộc một loại nhất định đều giống hệt nhau, do đó, các hệ thống điều khiển riêng biệt không cần thiết phải nhập và điều khiển các trạng thái lượng tử khác nhau một cách tinh vi.

Và trong khi hệ thống dây điện được sử dụng để liên kết các qubit siêu dẫn thành các mạch lượng tử có thể trở nên phức tạp khủng khiếp – thậm chí còn phức tạp hơn khi hệ thống mở rộng quy mô – thì không cần hệ thống dây điện trong trường hợp nguyên tử. Tất cả việc vướng víu đều được thực hiện bằng cách sử dụng ánh sáng laser.

Lợi ích này ban đầu đưa ra một thách thức. Có một công nghệ phát triển tốt để khắc các mạch và dây điện vi điện tử phức tạp, và một lý do có thể xảy ra khiến IBM và Google đầu tư ban đầu vào qubit siêu dẫn không phải vì chúng rõ ràng là tốt nhất mà vì chúng yêu cầu loại mạch mà các công ty như vậy thường sử dụng, cho biết. Stuart Adams, một nhà vật lý tại Đại học Durham ở Vương quốc Anh, người nghiên cứu về điện toán lượng tử nguyên tử trung tính. “Quang học nguyên tử dựa trên laser trông hoàn toàn xa lạ với họ. Tất cả các kỹ thuật đều hoàn toàn khác nhau.”

Qubit được tạo thành từ các nguyên tử tích điện – được gọi là ion – cũng có thể được điều khiển bằng ánh sáng và các ion từ lâu đã được coi là ứng cử viên qubit tốt hơn so với các nguyên tử trung tính. Do mang điện tích nên các ion tương đối dễ bị giữ lại trong điện trường. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra bẫy ion bằng cách treo các ion trong một khoang chân không nhỏ ở nhiệt độ cực thấp (để tránh dao động nhiệt) trong khi các chùm tia laser chuyển chúng giữa các trạng thái năng lượng khác nhau để xử lý thông tin. Máy tính lượng tử bẫy ion với hàng chục qubit hiện đã được chứng minh và một số công ty khởi nghiệp đang phát triển công nghệ để thương mại hóa. Saffman cho biết: “Cho đến nay, hệ thống có hiệu suất cao nhất về độ trung thực, khả năng kiểm soát và tính kết hợp đã bị bẫy các ion”.

Việc bẫy các nguyên tử trung tính khó hơn vì không có điện tích để giữ. Thay vào đó, các nguyên tử được cố định trong trường ánh sáng cường độ cao được tạo ra bởi chùm tia laser, gọi là nhíp quang học. Các nguyên tử thường thích ngồi ở nơi có trường ánh sáng mạnh nhất.

Và có một vấn đề với các ion: Chúng đều có điện tích cùng dấu. Điều đó có nghĩa là các qubit đẩy nhau. Việc nhét nhiều chúng vào cùng một không gian nhỏ sẽ khó hơn khi có nhiều ion hơn. Với các nguyên tử trung tính, không có lực căng như vậy. Các nhà nghiên cứu cho biết điều này làm cho qubit nguyên tử trung tính có khả năng mở rộng cao hơn nhiều.

Hơn nữa, các ion bị bẫy được sắp xếp thành một hàng (hoặc gần đây là một vòng lặp “đường đua”). Cấu hình này gây khó khăn cho việc vướng víu một qubit ion với một qubit khác, chẳng hạn như 20 vị trí dọc theo hàng. “Bẫy ion vốn có tính chất một chiều,” Adams nói. “Bạn phải sắp xếp chúng thành một hàng và rất khó để biết làm thế nào bạn có thể đạt được tới một nghìn qubit theo cách đó.”

Mảng nguyên tử trung tính có thể là một lưới hai chiều, dễ dàng mở rộng quy mô hơn nhiều. Saffman nói: “Bạn có thể đặt nhiều thứ vào cùng một hệ thống và chúng không tương tác khi bạn không muốn”. Nhóm của ông và những người khác đã bẫy được hơn 1,000 nguyên tử trung hòa theo cách này. Ông nói: “Chúng tôi tin rằng chúng tôi có thể đóng gói hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm nghìn trong một thiết bị có kích thước centimet”.

Thật vậy, trong nghiên cứu gần đây của họ, đội nghiên cứu tại Caltech đã tạo ra một dãy nhíp quang học gồm khoảng 6,100 nguyên tử Caesium trung tính, mặc dù họ chưa thực hiện bất kỳ tính toán lượng tử nào với chúng. Các qubit này cũng có thời gian kết hợp lên tới 12.6 giây, một kỷ lục cho đến nay đối với loại qubit này.

Cuộc phong tỏa Rydberg

Để hai hoặc nhiều qubit trở nên vướng víu, chúng cần phải tương tác với nhau. Các nguyên tử trung hòa “cảm nhận” được sự hiện diện của nhau thông qua cái gọi là lực van der Waals, lực này phát sinh từ cách một nguyên tử phản ứng với những thăng giáng trong đám mây electron ở một nguyên tử khác ở gần đó. Nhưng những lực yếu này chỉ được cảm nhận khi các nguyên tử ở cực kỳ gần nhau. Việc điều khiển các nguyên tử bình thường đến độ chính xác cần thiết bằng cách sử dụng trường ánh sáng là điều không thể thực hiện được.

Như Lukin và các cộng sự của ông đã chỉ ra trong đề xuất ban đầu của họ hồi năm 2000, khoảng cách tương tác có thể tăng lên đáng kể nếu chúng ta tăng kích thước của chính các nguyên tử. Electron càng có nhiều năng lượng thì nó càng có xu hướng di chuyển ra xa hạt nhân nguyên tử. Nếu tia laser được sử dụng để bơm một electron lên trạng thái năng lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng thường thấy trong nguyên tử – được gọi là trạng thái Rydberg theo tên nhà vật lý người Thụy Điển Johannes Rydberg, người vào những năm 1880 đã nghiên cứu cách các nguyên tử phát ra ánh sáng ở các bước sóng rời rạc – thì electron có thể di chuyển ra xa hạt nhân hàng nghìn lần so với bình thường.

Sự tăng kích thước này cho phép hai nguyên tử cách nhau vài micromet – hoàn toàn khả thi trong bẫy quang – tương tác với nhau.

Để thực hiện thuật toán lượng tử, trước tiên các nhà nghiên cứu mã hóa thông tin lượng tử theo một cặp mức năng lượng nguyên tử, sử dụng tia laser để chuyển đổi electron giữa các mức năng lượng đó. Sau đó, họ làm vướng víu các trạng thái của nguyên tử bằng cách kích hoạt tương tác Rydberg giữa chúng. Một nguyên tử nhất định có thể bị kích thích đến trạng thái Rydberg hay không, tùy thuộc vào mức nào trong hai mức năng lượng mà electron của nó đang ở - chỉ một trong hai mức này nằm ở mức năng lượng phù hợp để cộng hưởng với tần số của tia laser kích thích. Và nếu nguyên tử hiện đang tương tác với nguyên tử khác, tần số kích thích này sẽ thay đổi một chút để electron không cộng hưởng với ánh sáng và không thể thực hiện bước nhảy. Điều này có nghĩa là chỉ một trong hai nguyên tử tương tác có thể duy trì trạng thái Rydberg bất cứ lúc nào; trạng thái lượng tử của chúng có mối tương quan với nhau - hay nói cách khác là vướng víu. Cái gọi là phong tỏa Rydberg này, trước hết đề xuất của Lukin và các đồng nghiệp vào năm 2001 như một cách làm vướng víu các qubit nguyên tử Rydberg, là một hiệu ứng được tất cả hoặc không có gì: Hoặc là có sự phong tỏa Rydberg hoặc là không. Lukin nói: “Việc phong tỏa Rydberg khiến cho sự tương tác giữa các nguyên tử trở nên kỹ thuật số.

Khi kết thúc quá trình tính toán, tia laser đọc trạng thái của nguyên tử: Nếu một nguyên tử ở trạng thái cộng hưởng với ánh sáng chiếu vào, ánh sáng sẽ bị tán xạ, nhưng nếu nó ở trạng thái khác thì không có sự tán xạ.

Năm 2004, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Connecticut chứng minh một sự phong tỏa Rydberg giữa các nguyên tử rubidium, bị giữ lại và làm lạnh xuống chỉ còn 100 microkelvin trên độ không tuyệt đối. Họ làm lạnh các nguyên tử bằng cách sử dụng tia laser để “hút” năng lượng nhiệt của nguyên tử. Cách tiếp cận này có nghĩa là, không giống như qubit siêu dẫn, các nguyên tử trung tính không cần làm mát bằng đông lạnh và không cần chất làm lạnh cồng kềnh. Do đó, các hệ thống này có thể được thực hiện rất nhỏ gọn. Saffman cho biết: “Toàn bộ thiết bị ở nhiệt độ phòng. “Cách những nguyên tử siêu lạnh này một centimet, bạn có một cửa sổ nhiệt độ phòng.”

Năm 2010 Saffman và đồng nghiệp báo cáo cổng logic đầu tiên - một thành phần cơ bản của máy tính, trong đó một hoặc nhiều tín hiệu đầu vào nhị phân tạo ra một đầu ra nhị phân cụ thể - được tạo từ hai nguyên tử bằng cách sử dụng phong tỏa Rydberg. Sau đó, điều quan trọng là vào năm 2016, nhóm của Lukin và các nhóm nghiên cứu ở Pháp và Hàn Quốc đều độc lập tìm ra làm thế nào để tải nhiều nguyên tử trung tính thành các dãy bẫy quang học và di chuyển chúng theo ý muốn. “Sự đổi mới này đã mang lại sức sống mới cho lĩnh vực này,” cho biết Stephan Dürr thuộc Viện Quang học Lượng tử Max Planck ở Garching, Đức, người sử dụng nguyên tử Rydberg cho các thí nghiệm xử lý thông tin lượng tử dựa trên ánh sáng.

Phần lớn công trình nghiên cứu cho đến nay sử dụng nguyên tử rubidium và caesium, nhưng nhà vật lý Jeff Thompson tại Đại học Princeton thích mã hóa thông tin ở trạng thái spin hạt nhân của các nguyên tử kim loại như strontium và ytterbium, những trạng thái này thậm chí còn có thời gian kết hợp lâu hơn. Tháng 10 năm ngoái, Thompson và đồng nghiệp báo cáo cổng logic hai qubit được tạo ra từ các hệ thống này.

Và sự phong tỏa của Rydberg không nhất thiết phải ở giữa các nguyên tử đơn độc. Mùa hè năm ngoái, Adams và đồng nghiệp cho thấy rằng họ có thể tạo ra sự phong tỏa Rydberg giữa một nguyên tử và một phân tử bị mắc kẹt, điều mà họ tạo ra một cách nhân tạo bằng cách sử dụng nhíp quang học để kéo một nguyên tử xêsi đến cạnh một nguyên tử rubidium. Ưu điểm của hệ thống phân tử-nguyên tử lai là các nguyên tử và phân tử có năng lượng rất khác nhau, điều này có thể giúp thao tác một cái dễ dàng hơn mà không ảnh hưởng đến cái khác. Hơn nữa, qubit phân tử có thể có thời gian kết hợp rất dài. Adams nhấn mạnh rằng các hệ thống lai như vậy chậm hơn các hệ thống toàn nguyên tử ít nhất 10 năm và sự vướng víu của hai qubit như vậy vẫn chưa đạt được. Thompson nói: “Hệ thống hybrid thực sự rất khó, nhưng có lẽ chúng tôi sẽ buộc phải thực hiện chúng vào một lúc nào đó”.

Qubit có độ chính xác cao

Không có qubit nào là hoàn hảo: Tất cả đều có thể mắc lỗi. Và nếu những điều này không bị phát hiện và không được sửa chữa, chúng sẽ làm xáo trộn kết quả tính toán.

Nhưng một trở ngại lớn đối với tất cả điện toán lượng tử là các lỗi không thể được xác định và sửa chữa như cách chúng xảy ra với máy tính cổ điển, trong đó thuật toán chỉ đơn giản theo dõi trạng thái của các bit bằng cách tạo bản sao. Chìa khóa của điện toán lượng tử là trạng thái của qubit không được xác định cho đến khi kết quả cuối cùng được đọc ra. Nếu bạn cố gắng đo các trạng thái đó trước thời điểm đó, bạn sẽ chấm dứt việc tính toán. Vậy làm cách nào để bảo vệ qubit khỏi các lỗi mà chúng ta thậm chí không thể theo dõi?

Một câu trả lời là truyền bá thông tin trên nhiều qubit vật lý - tạo thành một “qubit logic” duy nhất - để lỗi ở một trong số chúng không làm hỏng thông tin mà chúng mã hóa chung. Điều này chỉ trở nên thực tế nếu số lượng qubit vật lý cần thiết cho mỗi qubit logic không quá lớn. Chi phí đó phụ thuộc một phần vào thuật toán sửa lỗi nào được sử dụng.

Các qubit logic được sửa lỗi đã được chứng minh bằng các qubit siêu dẫn và ion bị bẫy, nhưng cho đến gần đây, người ta vẫn chưa rõ liệu chúng có thể được tạo ra từ các nguyên tử trung tính hay không. Điều đó đã thay đổi vào tháng 48, khi nhóm Harvard công bố các dãy hàng trăm nguyên tử rubidium bị bẫy và chạy thuật toán trên 1 qubit logic, mỗi qubit được tạo từ bảy hoặc tám nguyên tử vật lý. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng hệ thống này để tiến hành một thao tác logic đơn giản gọi là cổng NOT được điều khiển, trong đó trạng thái 0 và XNUMX của qubit bị đảo ngược hoặc không thay đổi tùy thuộc vào trạng thái của qubit “điều khiển” thứ hai. Để tiến hành tính toán, các nhà nghiên cứu đã di chuyển các nguyên tử giữa ba vùng riêng biệt trong buồng bẫy: một mảng nguyên tử, một vùng tương tác (hoặc “vùng cổng”) nơi các nguyên tử cụ thể bị kéo và vướng víu bằng cách sử dụng phong tỏa Rydberg và vùng đọc . Adams cho biết, tất cả đều có thể thực hiện được bởi vì “hệ thống Rydberg cung cấp cho bạn tất cả khả năng xáo trộn các qubit xung quanh và quyết định ai đang tương tác với ai, điều này mang lại cho bạn sự linh hoạt mà các qubit siêu dẫn không có”.

Nhóm Harvard đã trình diễn các kỹ thuật sửa lỗi đối với một số thuật toán qubit logic đơn giản, mặc dù đối với những thuật toán lớn nhất, với 48 qubit logic, chúng chỉ đạt được mục đích phát hiện lỗi. Theo Thompson, những thí nghiệm sau này cho thấy rằng “họ có thể ưu tiên loại bỏ các kết quả đo lường có sai sót và do đó xác định được một tập hợp con các kết quả có sai số thấp hơn”. Cách tiếp cận này được gọi là lựa chọn sau và mặc dù nó có thể đóng một vai trò trong việc sửa lỗi lượng tử nhưng bản thân nó không giải quyết được vấn đề.

Các nguyên tử Rydberg có thể tự tạo ra các mã sửa lỗi mới. Saffman cho biết loại được sử dụng trong nghiên cứu của Harvard, được gọi là mã bề mặt, “rất phổ biến nhưng cũng rất kém hiệu quả; nó có xu hướng yêu cầu nhiều qubit vật lý để tạo thành một qubit logic. Các mã sửa lỗi được đề xuất khác, hiệu quả hơn, yêu cầu tương tác ở phạm vi xa hơn giữa các qubit, chứ không chỉ các cặp lân cận gần nhất. Những người thực hành điện toán lượng tử nguyên tử trung tính cho rằng các tương tác Rydberg tầm xa sẽ đáp ứng được nhiệm vụ. Lukin nói: “Tôi cực kỳ lạc quan rằng các thử nghiệm trong vòng hai đến ba năm tới sẽ cho chúng ta thấy rằng chi phí chung không tệ như mọi người nghĩ”.

Mặc dù vẫn còn nhiều việc phải làm, Steane coi công trình của Harvard là “một bước thay đổi về mức độ mà các giao thức sửa lỗi đã được hiện thực hóa trong phòng thí nghiệm”.

Quay tắt

Những tiến bộ như thế này khiến qubit nguyên tử Rydberg thu hút ngay cả với các đối thủ cạnh tranh của chúng. Steane cho biết: “Sự kết hợp giữa các cổng có độ chính xác cao, số lượng qubit lớn, các phép đo có độ chính xác cao và kết nối linh hoạt cho phép chúng tôi coi mảng nguyên tử Rydberg là đối thủ cạnh tranh thực sự với các qubit siêu dẫn và ion bị bẫy”.

So với các qubit siêu dẫn, công nghệ này có chi phí đầu tư chỉ bằng một phần nhỏ. Nhóm Harvard có một công ty phụ tên là QuEra, công ty đã tạo ra bộ xử lý lượng tử Rydberg 256 qubit có tên là Chim ưng - một “trình mô phỏng lượng tử” tương tự, có thể chạy mô phỏng hệ thống nhiều hạt lượng tử — có sẵn trên đám mây với sự hợp tác của nền tảng điện toán lượng tử Braket của Amazon. QuEra cũng đang nỗ lực nâng cao khả năng sửa lỗi lượng tử.

Saffman gia nhập một công ty tên là sự thay đổi, công ty đang phát triển nền tảng quang học nguyên tử trung tính cho cảm biến lượng tử và truyền thông cũng như điện toán lượng tử. Adams nói: “Tôi sẽ không ngạc nhiên nếu một trong những công ty CNTT lớn sớm hợp tác với một trong những công ty phụ này.

Thompson cho biết: “Chắc chắn có thể thực hiện được việc sửa lỗi có thể mở rộng bằng các qubit nguyên tử trung tính. “Tôi nghĩ rõ ràng là có thể tạo ra 10,000 qubit nguyên tử trung tính trong vòng vài năm tới.” Ngoài ra, ông cho rằng sẽ cần phải có những hạn chế thực tế về công suất và độ phân giải của laser. thiết kế mô-đun trong đó một số mảng nguyên tử riêng biệt được liên kết với nhau.

Nếu điều đó xảy ra, ai biết được điều gì sẽ xảy ra? Lukin nói: “Chúng tôi thậm chí còn chưa biết mình có thể làm gì với điện toán lượng tử. “Tôi thực sự hy vọng những tiến bộ mới này sẽ giúp chúng ta trả lời những câu hỏi này.”