Qubit helium siêu lỏng có thể giảm lỗi lượng tử 100 lần

Một trong những trở ngại lớn nhất của máy tính lượng tử là qubit rất dễ bị môi trường làm nhiễu. Nhiệt, điện tích và nhiễu điện từ đều có thể làm trạng thái lượng tử mất ổn định.

Khi số lượng qubit tăng lên, vấn đề càng nghiêm trọng bởi hệ thống phải kiểm soát đồng thời một lượng lớn trạng thái mong manh.

Heli siêu lỏng có thể dẫn đến việc tạo ra các bit lượng tử với số lỗi ít hơn khoảng 100 lần, từ đó có khả năng vượt qua một trở ngại lớn trong việc mở rộng quy mô máy tính lượng tử.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Surrey (Anh) đã đưa helium-3 siêu lỏng vào vai trò nền tảng của qubit. Helium-3 ở nhiệt độ cực thấp có thể chuyển sang trạng thái siêu lỏng, trong đó chất lỏng có thể chuyển động mà gần như không có độ nhớt.

Thiết bị có tên Superfluid Helium Oscillator Quantum (SHOQ).

Ý tưởng là sử dụng một liên kết siêu lỏng kết hợp với một phần tử cơ học. Chuyển động của helium trong hệ thống bị lượng tử hóa, tạo ra những mức năng lượng rời rạc. Nếu thiết kế được độ phi tuyến phù hợp, các mức này có thể được sử dụng để tạo ra chức năng của một qubit.

Điểm đặc biệt là helium siêu lỏng không mang điện tích theo cách một dòng điện trong mạch thông thường mang điện. Điều đó về lý thuyết giúp hệ thống ít nhạy với một số dạng nhiễu điện từ thường gây lỗi cho qubit siêu dẫn.

Sơ đồ nguyên lý thiết bị kiểm soát lượng tử sử dụng helium-3 làm qubit (SHOQ).

Theo tính toán của nhóm, SHOQ có thể đạt tỷ lệ lỗi thấp hơn khoảng 100 lần so với các qubit siêu dẫn thông thường.

Nhưng cần nhấn mạnh: đây là kết quả của mô hình lý thuyết, chưa phải con số đo được từ một máy tính lượng tử thực tế.

TS Priya Sharma, Research Fellow về Hệ thống lượng tử lai tại Đại học Surrey và tác giả chính của nghiên cứu cho biết, nhóm đã kết hợp những thành phần vật lý đã được biết đến thành một thiết kế cụ thể, với các thông số cần thiết để chế tạo thiết bị.

Bước tiếp theo là xây dựng nguyên mẫu và kiểm tra xem các dự đoán có đúng trong thực tế hay không.

Thiết bị phải hoạt động ở nhiệt độ cực thấp để duy trì trạng thái siêu lỏng. Đây là một thách thức kỹ thuật, nhưng các phòng thí nghiệm hiện đã có khả năng tạo ra những điều kiện cần thiết cho helium-3.

Một khả năng thú vị là SHOQ không cần thay thế toàn bộ công nghệ qubit hiện nay.

TS Eran Ginossar, Phó giáo sư và Phó trưởng phụ trách nghiên cứu - đổi mới tại Trường Toán học và Vật lý của Đại học Surrey cho rằng, các loại qubit khác nhau có thể đảm nhận những nhiệm vụ khác nhau trong cùng một hệ thống.

Chẳng hạn, qubit siêu dẫn có thể đảm nhiệm các phép tính lượng tử, trong khi một qubit dựa trên helium siêu lỏng có thể được nghiên cứu như một bộ nhớ lượng tử.

Hệ thống cryostat/helium siêu lỏng minh họa môi trường nhiệt độ cực thấp cần thiết cho công nghệ.

Cách tiếp cận này giống việc xây dựng một hệ thống máy tính từ nhiều loại linh kiện chuyên dụng thay vì yêu cầu một loại linh kiện làm tất cả mọi việc.

Nếu nguyên mẫu sau này chứng minh được khả năng hoạt động như dự đoán, SHOQ có thể trở thành một nền tảng mới để lưu trữ hoặc xử lý thông tin lượng tử.

Nhưng giữa thiết kế lý thuyết và phần cứng thực tế còn nhiều bước. Các nhà nghiên cứu phải chứng minh khả năng tạo và đọc trạng thái lượng tử, kiểm soát độ phi tuyến, duy trì thời gian kết hợp đủ dài và quan trọng nhất là đo được tỷ lệ lỗi thực tế.

Vì vậy, con số “ít lỗi hơn 100 lần” hiện nên được hiểu là mục tiêu lý thuyết mà nhóm muốn kiểm chứng, chứ chưa phải một ưu thế đã được chứng minh trên máy tính lượng tử.

Máy tính lượng tử sẽ sớm phá vỡ mọi lá chắn bảo mật của Bitcoin.