Qubit heli siêu lỏng: Hướng đi giảm 100 lần tỷ lệ lỗi cho máy tính lượng tử

Máy tính lượng tử hiện đại hứa hẹn mang lại khả năng tính toán vượt trội so với các hệ thống máy tính truyền thống, nhưng lại đối mặt với rào cản lớn về độ ổn định khi quy mô hệ thống mở rộng. Nhằm khắc phục tình trạng các trạng thái thông tin mỏng manh dễ bị phá vỡ bởi môi trường xung quanh, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một mô hình qubit mới dựa trên dòng chảy siêu lỏng của heli. Phương pháp này hứa hẹn bảo vệ thông tin lượng tử khỏi những dạng nhiễu điện từ phổ biến, tạo tiền đề cho các thiết bị lượng tử hoạt động chính xác hơn trong tương lai. [1]

Nhiễu điện từ và bài toán mở rộng quy mô qubit

Trong các hệ thống phần cứng lượng tử phổ biến hiện nay, mạch siêu dẫn là công nghệ chính được sử dụng để tạo ra các qubit – đơn vị lưu trữ và xử lý thông tin lượng tử. Dù giúp thực hiện những thuật toán phức tạp mà máy tính thông thường không thể đảm nhận, các mạch siêu dẫn này lại đặc biệt nhạy cảm với các biến đổi điện từ và điện tích lạc xung quanh. [1]

Để dễ hình dung về hiện tượng này trong đời sống, tính chất nhạy cảm của mạch siêu dẫn với điện tích lạc tương tự như hiện tượng tĩnh điện khiến các sợi tóc bị hút dính vào quả bóng bay khi tiến lại gần. Những biến động điện tích nhỏ nhất trong môi trường cũng có thể làm đứt gãy trạng thái thông tin lượng tử vốn rất nhạy cảm. Khi số lượng qubit tăng lên nhằm phục vụ các phép toán phức tạp hơn, việc kiểm soát tỷ lệ lỗi phát sinh từ các nhiễu loạn này trở thành thách thức hàng đầu đối với giới công nghệ. [1]

Nguyên lý tự bảo vệ của heli-3 siêu lỏng

Để giải quyết triệt để rào cản nhiễu điện từ, nhóm nghiên cứu tại Đại học Surrey đã công bố một cách tiếp cận đột phá trên tạp chí npj Quantum Information. Đề xuất của họ tập trung vào việc ứng dụng heli-3 siêu lỏng – một dạng chất lỏng đặc biệt có khả năng di chuyển mà không chịu bất kỳ lực ma sát nào. Thiết bị được thiết kế theo nguyên lý này có tên gọi là Superfluid Helium Oscillator Quantum, hay viết tắt là SHOQ. [1]

Điểm then chốt nằm ở đặc tính vật lý của vật liệu: dòng heli siêu lỏng được sử dụng hoàn toàn không mang điện tích. Vì các nguyên tử heli ở trạng thái này trung hòa về điện, cấu trúc của qubit SHOQ có khả năng tự bảo vệ một cách tự nhiên trước các dạng nhiễu điện tích và biến động điện từ xung quanh. Đây là yếu tố vốn liên tục gây ra rắc rối cho các linh kiện qubit mạch siêu dẫn truyền thống. [1]

Dự báo hiệu suất và tham vọng chế tạo nguyên mẫu

Các phép tính lý thuyết từ nhóm nghiên cứu cho thấy SHOQ là mô hình qubit đầu tiên được xây dựng dựa trên đặc tính của chất siêu lỏng. Kết quả mô phỏng cho thấy thiết bị này có khả năng giảm tỷ lệ lỗi thấp hơn tới 100 lần so với các qubit mạch siêu dẫn đang được áp dụng hiện nay. [1]

Tiến sĩ Priya Sharma, tác giả chính của nghiên cứu từ Đại học Surrey, chia sẻ rằng dù các thành phần lý thuyết lẻ tẻ đã từng được thảo luận trước đây, nhóm của bà là những người đầu tiên kết hợp chúng vào một thiết bị vi lưu (microfluidic) và hoàn thiện các chi tiết kỹ thuật cụ thể để thiết bị có thể vận hành như một qubit. Những tính toán toán học hiện tại xác nhận tính khả thi của mô hình. Bước tiếp theo của dự án là tiến hành chế tạo một nguyên mẫu thực tế để kiểm chứng các thông số lý thuyết này. [1]

Khả năng phối hợp cùng hạ tầng siêu dẫn hiện có

Một ưu điểm quan trọng của thiết bị SHOQ là không đòi hỏi phải xóa bỏ hay thay thế hoàn toàn hạ tầng máy tính lượng tử siêu dẫn hiện có. Thay vào đó, mô hình này được thiết kế để có thể tích hợp trực tiếp và vận hành song song với các mạch siêu dẫn sẵn có. Sự kết hợp này cho phép khai thác điểm mạnh riêng biệt của từng loại qubit trong cùng một hệ thống xử lý tổng thể. [1]

Tiến sĩ Eran Ginossar, đồng tác giả của công trình, nhấn mạnh rằng một hệ thống lượng tử không nhất thiết phải phụ thuộc vào một loại qubit duy nhất cho mọi công đoạn. Việc đưa heli siêu lỏng vào phần cứng mở ra một hướng phát triển linh hoạt, giúp phối hợp các công nghệ khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất chung của máy tính lượng tử. [1]

Vai trò bộ nhớ lượng tử và triển vọng tương lai

Về mặt chiến lược dài hạn, các nhà nghiên cứu định hướng thiết bị SHOQ có thể đảm nhiệm vai trò như một bộ nhớ lượng tử chuyên dụng. Với khả năng duy trì trạng thái ổn định cao trước nhiễu môi trường, qubit siêu lỏng sẽ chịu trách nhiệm lưu trữ thông tin lâu dài, trong khi các phần cứng khác đảm nhận các phép tính xử lý dữ liệu với tốc độ cao. [1]

Mặc dù hệ thống đòi hỏi điều kiện môi trường vận hành ở mức nhiệt độ cực thấp, đội ngũ nghiên cứu tại Đại học Surrey phối hợp cùng Giáo sư Jens Koch từ Đại học Northwestern (Hoa Kỳ) – người từng tham gia phát triển dòng qubit transmon phổ biến hiện nay – cho biết các điều kiện nhiệt độ này đã từng đạt được thành công trong những thí nghiệm trước đó với heli-3. Thử nghiệm nguyên mẫu sắp tới sẽ là bước quyết định để đánh giá liệu hiệu suất dự báo có thể được tái lập hoàn toàn trên thiết bị thực tế hay không. [1]