Các kỹ sư lượng tử từ UNSW Sydney đã loại bỏ một trở ngại lớn cản trở máy tính lượng tử trở thành hiện thực. Họ đã phát hiện ra một kỹ thuật mới mà họ cho rằng sẽ có khả năng điều khiển hàng triệu qubit spin — những đơn vị thông tin cơ bản trong một bộ xử lý lượng tử silicon.
Cho đến nay, các kỹ sư và nhà khoa học máy tính lượng tử đã làm việc với một mô hình bằng chứng về khái niệm của bộ xử lý lượng tử bằng cách chứng minh sự điều khiển của chỉ một số ít qubit.
Nhưng nhóm đã tìm thấy thứ mà họ coi là “mảnh ghép hình còn thiếu” trong kiến trúc máy tính lượng tử có thể cho phép kiểm soát hàng triệu qubit cần thiết cho các phép tính cực kỳ phức tạp.
Nhóm nghiên cứu muốn giải quyết vấn đề đã khiến các nhà khoa học máy tính lượng tử đau đầu trong nhiều thập kỷ — làm thế nào để kiểm soát không chỉ một vài mà hàng triệu qubit mà không chiếm không gian có giá trị với nhiều hệ thống dây điện hơn, sử dụng nhiều điện hơn và tạo ra nhiều nhiệt hơn.
Cho đến thời điểm này, việc điều khiển các qubit spin của electron dựa vào việc chúng ta cung cấp từ trường vi sóng bằng cách đưa dòng điện qua một dây dẫn ngay bên cạnh qubit.
Điều này đặt ra một số thách thức thực sự nếu chúng ta muốn mở rộng quy mô lên đến hàng triệu qubit mà một máy tính lượng tử sẽ cần để giải quyết các vấn đề quan trọng trên toàn cầu, chẳng hạn như thiết kế vắc-xin mới.
Trước hết, từ trường giảm rất nhanh theo khoảng cách, vì vậy chúng ta chỉ có thể điều khiển những qubit gần dây nhất. Điều đó có nghĩa là chúng ta sẽ cần thêm ngày càng nhiều dây khi chúng ta đưa ngày càng nhiều qubit, điều này sẽ chiếm rất nhiều bất động sản trên chip.
Và vì chip phải hoạt động ở nhiệt độ lạnh cóng, dưới -270 ° C, Tiến sĩ Pla nói rằng việc đưa thêm dây vào sẽ tạo ra quá nhiều nhiệt trong chip, ảnh hưởng đến độ tin cậy của qubit.
Thời điểm bóng đèn
Giải pháp cho vấn đề này liên quan đến việc hình dung lại hoàn toàn cấu trúc chip silicon.
Thay vì có hàng nghìn dây điều khiển trên cùng một con chip silicon có kích thước hình thu nhỏ cũng cần chứa hàng triệu qubit, nhóm nghiên cứu đã xem xét tính khả thi của việc tạo ra một từ trường từ phía trên con chip có thể thao tác đồng thời tất cả các qubit.
Ý tưởng kiểm soát đồng thời tất cả các qubit này lần đầu tiên được đưa ra bởi các nhà khoa học máy tính lượng tử vào những năm 1990, nhưng cho đến nay vẫn chưa có ai tìm ra cách thực tế để thực hiện điều này.
“Đầu tiên, chúng tôi loại bỏ dây bên cạnh các qubit và sau đó tìm ra một phương pháp mới để cung cấp các trường điều khiển từ trường tần số vi sóng trên toàn bộ hệ thống. Vì vậy, về nguyên tắc, chúng tôi có thể cung cấp các trường điều khiển lên đến bốn triệu qubit, ”nhóm Nghiên cứu cho biết.
Nhóm nghiên cứu đã giới thiệu một thành phần mới ngay trên chip silicon — một lăng kính tinh thể được gọi là bộ cộng hưởng điện môi. Khi vi sóng được hướng vào bộ cộng hưởng, nó tập trung bước sóng của vi sóng xuống một kích thước nhỏ hơn nhiều.
Bộ cộng hưởng điện môi thu nhỏ bước sóng xuống dưới một milimet, vì vậy giờ đây chúng ta có một sự chuyển đổi rất hiệu quả công suất vi sóng thành từ trường điều khiển spin của tất cả các qubit.
Có hai đổi mới chính ở đây. Đầu tiên là chúng ta không phải sử dụng nhiều năng lượng để có được trường truyền động mạnh cho các qubit, điều này quan trọng có nghĩa là chúng ta không tạo ra nhiều nhiệt. Thứ hai là trường rất đồng đều trên chip, do đó hàng triệu qubit đều trải qua cùng một mức độ kiểm soát.
Nhóm lượng tử
Mặc dù nhóm nghiên cứu đã phát triển bộ cộng hưởng nguyên mẫu công nghệ, họ không có qubit silicon để thử nghiệm nó. Vì vậy, ông đã nói chuyện với đồng nghiệp kỹ thuật của mình tại UNSW, nhóm của ông trong hơn thập kỷ qua đã chứng minh logic lượng tử đầu tiên và chính xác nhất bằng cách sử dụng cùng một công nghệ sản xuất silicon được sử dụng để chế tạo chip máy tính thông thường.
Từng chỉ là mơ ước vào những năm 1980, máy tính lượng tử sử dụng hàng nghìn qubit để giải quyết các vấn đề có ý nghĩa thương mại giờ đây có thể chỉ còn chưa đầy một thập kỷ nữa. Ngoài ra, chúng được kỳ vọng sẽ mang lại sức mạnh mới để giải quyết các thách thức toàn cầu và phát triển công nghệ mới vì khả năng mô hình hóa các hệ thống cực kỳ phức tạp.
Biến đổi khí hậu, thiết kế thuốc và vắc xin, giải mã mã và trí tuệ nhân tạo tất cả đều được hưởng lợi từ công nghệ điện toán lượng tử.
Nhìn về phía trước
Tiếp theo, nhóm nghiên cứu có kế hoạch sử dụng công nghệ mới này để đơn giản hóa thiết kế của các bộ xử lý lượng tử silicon trong thời gian ngắn.
Removing the on-chip control wire frees up space for additional qubits and all of the other electronics required to build a quantum processor. It makes the task of going to the next step of producing devices with some tens of qubits much simpler.
Mặc dù có những thách thức kỹ thuật cần giải quyết trước khi có thể tạo ra các bộ xử lý với một triệu qubit, nhưng chúng tôi rất vui mừng bởi thực tế là giờ đây chúng tôi đã có cách để kiểm soát chúng.
ELE lần
-
ELE lầnhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsGiám đốc điều hành Infineon nói
-
ELE lầnhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsSử dụng các thuật toán học sâu để cung cấp cho người đi xe đạp 'Làn sóng xanh' tại các tín hiệu giao thông
-
ELE lầnhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsẤn Độ đổi mới công nghệ tạo ra hydro trực tiếp từ bã nông nghiệp
-
ELE lầnhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsNghiên cứu cho biết 'Hydrogen xanh' có khả năng gây hại cho khí hậu