Microsoft đã công bố một tiến bộ đáng chú ý trong lĩnh vực tính toán lượng tử: họ khai thác các hạt Majorana – các hạt siêu ổn định có khả năng lưu trữ và truyền thông tin lượng tử một cách ít bị nhiễu. Thông qua dự án “Topological Quantum Computing”, nhóm nghiên cứu của Microsoft cho biết đã tạo ra những “vòng khép” (braids) thành công trên một chip silicon, mở ra hy vọng mới cho việc xây dựng máy tính lượng tử thực tế và có khả năng mở rộng.
Microsoft đưa tính toán lượng tử topological lên tầm cao mới
Các nhà khoa học tại Microsoft Research đã thiết kế một chip silicon chứa các “Majorana zero modes” và thực hiện các thao tác braid – quá trình vẽ các đường quỹ đạo cho các hạt Majorana qua lại nhau. Kết quả cho thấy trạng thái lượng tử được bảo toàn ngay cả khi chip chịu nhiễu từ môi trường bên ngoài, đáp ứng mục tiêu của công nghệ tính toán lượng tử topological: giảm thiểu lỗi mà không cần mã hoá phức tạp.
Tại sao Majorana lại quan trọng?
- Độ ổn định cao: Hạt Majorana là các hạt tự hủy (self-conjugate) khiến chúng không dễ dàng bị phá vỡ bởi các lỗi ngẫu nhiên.
- Khả năng xử lý song song: Nhân đôi các braid cho phép thực hiện các cổng lượng tử cơ bản mà không cần các bước sửa lỗi tốn kém.
- Tính mở rộng: Khi có thể kết nối nhiều “vòng khép” trên một chip duy nhất, khả năng xây dựng bộ xử lý lượng tử quy mô lớn trở nên khả thi hơn.
Cách Microsoft thực hiện thí nghiệm
- Thiết kế chip silicon: Các nhà nghiên cứu dùng công nghệ litography tiên tiến để khắc họa các nanowire siêu dẫn trên bề mặt silicon.
- Tạo môi trường lạnh cực đoan: Chip được hạ nhiệt độ xuống gần 10 mK trong một máy lạnh Dilution Refrigerator, giảm thiểu nhiễu nhiệt.
- Áp dụng điện áp điều khiển: Bằng cách thay đổi điện áp trên các cổng gate, các nhà khoa học điều khiển vị trí ảo của các hạt Majorana, thực hiện các thao tác braid.
- Đọc kết quả: Sử dụng đo lường qubit dựa trên hiệu ứng Josephson, họ xác nhận trạng thái cuối cùng khớp với dự đoán lý thuyết.
Những thách thức còn tồn tại
- Độ tin cậy của braid: Mặc dù các mẫu thử đã thành công, việc lặp lại đồng nhất trên hàng nghìn qubit vẫn là một thách thức lớn.
- Tích hợp với các công nghệ lượng tử khác: Các nhà nghiên cứu cần tìm cách kết hợp Majorana với các hệ thống siêu dẫn truyền thống để xây dựng kiến trúc hỗn hợp.
- Chi phí và quy mô sản xuất: Sản xuất chip silicon lượng tử ở quy mô công nghiệp vẫn còn tốn kém và phức tạp.
Tầm nhìn của Microsoft về tương lai lượng tử
Microsoft cho biết mục tiêu cuối cùng là một “máy tính lượng tử toàn diện” (universal quantum computer) dựa trên nền tảng topological, nơi lỗi được tự động sửa chữa nhờ tính chất của Majorana. Nếu thành công, công nghệ này có thể giảm chi phí vận hành, tăng tốc độ giải quyết các bài toán phức tạp như mô phỏng vật liệu mới, tối ưu hoá logistic, và phá vỡ các thuật toán mã hoá hiện hành.
Kết luận
Việc Microsoft chứng minh khả năng braid các hạt Majorana trên chip silicon là một bước tiến quan trọng, khẳng định tiềm năng của tính toán lượng tử topological. Dù còn nhiều công việc cần hoàn thiện, kết quả này đã mở ra một hướng đi mới cho cộng đồng nghiên cứu và các công ty công nghệ đang chạy đua xây dựng máy tính lượng tử thực tế.
Nguồn The Verge