Các nhà khoa học phát triển một kiến trúc máy tính lượng tử mới

Kỹ thuật mới này khai thác hành vi của điện tử, tập trung vào spin của nó thay vì điện tích.

Electron, hay còn gọi là điện tử là một hạt sơ cấp có vai trò vô cùng quan trọng. Bạn có biết tất cả các thiết bị điện tử ngày nay, theo cái tên của chúng, đều khai thác tính chất điện của electron. Chúng ta sản xuất điện, chế tạo bóng đèn, điện thoại, máy tính đều dựa vào điều đó. Nhưng electron bản thân chúng không chỉ có tính chất điện. Khai thác các đặc trưng còn lại của điện tử sẽ mở ra nhiều hướng ứng dụng mới vô cùng tuyệt vời.

Đó chính là điều mà một nhóm các nhà khoa học quốc tế tại Phòng thí nghiệm Berkeley, Hoa Kì đã làm. Họ phát triển một kỹ thuật mới để khai thác hành vi của điện tử, tập trung vào spin của nó thay vì điện tích. Điều này hứa hẹn mở ra một kiến trúc máy tính và truyền thông tin lượng tử mới.

Nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Nature.

Một kiến trúc máy tính lượng tử mới có thể ra đời khi khai thác spin điện tử.

Trong khi gây sốc một vật liệu silic đặc thù bằng vi sóng, các nhà nghiên cứu nhận ra spin điện tử của chúng nhanh chóng bị thay đổi. Nó sẽ nhanh chóng chuyển từ trạng thái kích thích xuống trạng thái cơ bản, đồng thời phát ra một photon ánh sáng.

Spin là một khái niệm vật lý đặc trưng cơ bản của điện tử. Nó chỉ có thể nhận một trong hai giá trị. Vì vậy, có thể hình dung spin giống như một đồng xu hoặc sấp hoặc ngửa. Đặc trưng này dẫn đến ý tưởng sử dụng spin để miên tả các bit 0 và 1 trong máy tính.

Đây là một điều rất thú vị. Hãy thử tưởng tượng một điện tử như một đồng xu. Máy tính ngày nay miêu tả 1 bit dữ liệu bằng cách đóng mở dòng điện trong các transistor siêu nhỏ. Mặc dù vậy, nó vẫn giống như bạn phải ném hàng ngàn đồng xu qua một khoảng cách cực lớn chỉ để mô tả 1 bit. Với spin, bạn đơn thuần là lật tại chỗ hai mặt của đồng xu để nó thể hiện các bit khác nhau.

Electron không chỉ có điện tích, chúng ta còn có thể khai thác spin của chúng để ứng dụng. Spin được thể hiện như hai mũi tên hoặc hướng lên hoặc hướng xuống như trong hình.

Mặc dù vậy, việc lật một đồng xu spin là không đơn giản. Hiệu ứng này chỉ xảy ra trong tự nhiên mỗi 10.000 năm. Tuy nhiên, bằng nghiên cứu mới này, các nhà khoa học có thể khiến việc này diễn ra chỉ trong 1 giây.

“Nó giống như một nghệ sĩ tung hứng ném quả bóng lên trời và nó rơi xuống với tốc độ nhanh gấp 1.000 lần. Cùng với đó phát ra một luồng ánh sáng”, Thomas Schenkel, nhà vật lý làm việc tại Bộ phận Công nghệ gia tốc và Ứng dụng vật lý thuộc Berkeley Lab cho biết.

“Kết quả này của chúng tôi rất quan trọng cho việc xử lí thông tin lượng tử”, Patrice Bertet, người dẫn đầu thí nghiệm tại Ủy ban Năng lượng nguyên tử Pháp (CEA) cho biết. “Thật vậy, đây sẽ là nền móng hướng tới sự kết hợp mạnh mẽ của spin điện tử với photon, mà sẽ hình thành cơ sở một kiến trúc máy tính lượng tử mới”.

Giáo sư John Morton đến từ Trung tâm Công nghệ Nano London, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: Mục đích cuối cùng của họ không chỉ là mô tả thông tin bằng spin mà còn lợi dụng hiệu ứng phát xạ photon để truyền dẫn chúng trong máy tính lượng tử.

Mô tả thiết bị mà các nhà khoa học đang phát triển

Trong các máy tính ngày nay, thông tin được lưu trữ trong các bit riêng lẻ. Mỗi bit được gán giá trị 0 hoặc 1. Máy tính lượng tử được hứa hẹn là sẽ mạnh mẽ hơn gấp nhiều lần, bởi nó sử dụng một loại khác của bit có tên qubit. Một qubit có thể cùng lúc nhận hai giá trị 0 và 1, theo một hiệu ứng kì lạ của cơ học lượng tử.

Nếu xây dựng được một mảng liên kết các qubit, máy tính lượng tử có khả năng thực hiện rất rất nhiều tính toán cùng lúc. Nghiên cứu mới đã chỉ ra rằng trong khi spin của điện tử có thể đóng vai trò một qubit, photon vi sóng phát ra có thể làm việc như một cách thức truyền thông tin. Kết hợp lại, chúng ta sẽ có một kiến trúc máy tính lượng tử mới.

“Những gì chúng tôi cần làm bây giờ là kết nối các spin với nhau”, Morton nói. “Chúng tôi cần phải kết cặp các qubit với nhau nếu muốn thực hiện tính toán”.

Để làm được điều này, các nhà nghiên cứu đã thực hiện thí nghiệm tại cơ sở CEA, Pháp. Họ sử dụng những tinh thể siêu tinh khiết của silic, sau đó pha tạp với một số nguyên tử bismuth. Schenkel mô tả công việc này giống như bạn đang cố ép những quả bóng bowling vào một mạng lưới bóng bàn vậy.

Sau đó, một mạch siêu dẫn bằng nhôm được tạo ra dể hình thành khoang cộng hưởng cho phép điều chỉnh chính xác vi sóng phát ra. Đồng xu spin của các điện tử bismuth lúc này đều ở trạng thái lật. Khi quá trình phát vi sóng bắt đầu, khoang cộng hưởng nhôm được tinh chỉnh sao cho tới một trạng thái nào đó, các đồng xu spin đều bị lật úp trở lại, đồng thời phát ra một photon ánh sáng.

Các nhà khoa học trong nhóm nghiên cứu

Các khoa học cho biết nghiên cứu mới này của họ không chỉ có ý nghĩa với việc phát triển máy tính lượng tử. Hiệu ứng còn giúp nâng cao chất lượng của kỹ thuật chụp cộng hưởng từ MRI, ứng dụng trong y tế, nghiên cứu cấu trúc vật liệu và phân tử sinh học. Bertet nói nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục rút ngắn thời gian lật những spin này xuống cỡ 1 mili giây. Khi đó, “điều này sẽ mở đường cho nhiều ứng dụng mới hơn nữa”.

Nguồn: GenK