Máy tính lượng tử thêm bước tiến đột phá nhờ sáng chế bộ xử lý silicon chứa hàng triệu qubit

Các nhà khoa học cho biết họ vừa phát triển công nghệ giúp bộ xử lý lượng tử dựa trên vật liệu silicon trở nên khả thi hơn. Cụ thể, Công ty điện toán lượng tử Equal1 đã tạo ra một đơn vị xử lý lượng tử (QPU) có thể được chế tạo từ các quy trình sản xuất chất bán dẫn thông thường. Điều này phủ nhận sự phức tạp và chi phí đắt đỏ trong việc sản xuất bộ xử lý lượng tử.

Công ty cũng đã phát triển chip điều khiển lượng tử được đánh giá là phức tạp nhất tính đến thời điểm hiện tại. Con chip này có thể hoạt động ở nhiệt độ cực thấp và mở đường cho việc tích hợp hàng triệu qubit trên một con chip - nghĩa là nó có thể xử lý đồng thời một số lượng lớn bit thông tin lượng tử trong khi vẫn giữ chúng ổn định và chính xác để tính toán.

Trước đó, các chip lượng tử mạnh nhất mới chỉ chứa hàng nghìn qubit và được chế tạo bằng chất siêu dẫn, tất cả đều yêu cầu làm mát đến gần độ không tuyệt đối để thực hiện tính toán lượng tử.

Kết hợp lại, các công nghệ mới đang mở đường cho giai đoạn tiếp theo của điện toán lượng tử và chứng minh cách nhanh nhất để mở rộng quy mô là tận dụng cơ sở hạ tầng silicon hiện có, đại diện của Equal1 chia sẻ.

Xây dựng chip lượng tử nổi tiếng là một quá trình khó khăn và tốn kém. Không giống như các chip máy tính thông thường dựa vào bit nhị phân để xử lý thông tin ở dạng 1 hoặc 0, chip lượng tử sử dụng qubit dựa trên các nguyên tắc cơ học lượng tử.

Qubit có các thuộc tính đặc biệt cho phép chúng tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái và hoạt động cùng nhau theo cách mà các bit truyền thống không thể thực hiện được. Quá trình xử lý song song thu được cho phép máy tính lượng tử giải quyết các vấn đề vượt xa khả năng của các hệ thống cổ điển. Tuy nhiên, qubit lại có đặc tính cực kỳ mong manh và dễ dàng bị phá vỡ bởi các yếu tố môi trường như thay đổi nhiệt độ hoặc nhiễu điện từ - do đó cần có nhiệt độ cực thấp để tránh nhiễu.

Thông thường, chip lượng tử cũng được chế tạo bằng vật liệu chuyên dụng hoặc được chế tạo riêng như kim loại siêu dẫn, đòi hỏi quy trình sản xuất phức tạp và đắt tiền. Điểm đổi mới của Equal1 là việc sử dụng silicon - một trong những vật liệu phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành bán dẫn.

Silicon cung cấp môi trường ổn định cho qubit, đặc biệt khi sử dụng hỗn hợp vật liệu gọi là silicon germanium (SiGe). Trong một nghiên cứu được công bố vào ngày 2 tháng 12 trên cơ sở dữ liệu in sẵn arXiv, các nhà khoa học của Equal1 giải thích rằng SiGe kết hợp tính ổn định của silicon với khả năng của germanium để nâng cao hiệu suất điện tử, khiến nó rất phù hợp cho các ứng dụng lượng tử. Quan trọng hơn, chip SiGe có thể được sản xuất bằng cách sử dụng cùng quy trình và nhà máy đã được sử dụng để sản xuất chip máy tính truyền thống, có khả năng làm cho bộ xử lý lượng tử rẻ hơn và dễ dàng mở rộng quy mô hơn.

Đại diện của Equal1 cho biết mảng SiGe 6-qubit – một phần của chip nơi các qubit được tạo ra và kiểm soát đã đạt được bước đột phá ở hai lĩnh vực chính: độ chính xác của các hoạt động của cổng lượng tử và tốc độ thực hiện.

Cụ thể, con chip này đã thể hiện độ trung thực của cổng một qubit là 99,4% với tốc độ hoạt động là 84 nano giây và độ trung thực của cổng hai qubit là 98,4% với tốc độ 72 nano giây. Độ chính xác cao hay độ trung thực trong cổng lượng tử giúp giảm thiểu sai sót trong tính toán, trong khi tốc độ cổng nhanh hơn giúp giảm nguy cơ qubit mất đi các đặc tính lượng tử trong quá trình hoạt động. Những yếu tố này xác định độ chính xác của tính toán lượng tử và khả năng duy trì trạng thái lượng tử của qubit đủ lâu để hoàn thành các hoạt động phức tạp.

Elena Blokhina, giám đốc khoa học của công ty, cho biết thêm: “Cột mốc này đánh dấu một bước ngoặt quan trọng đối với Equal1 và ngành điện toán lượng tử. Equal1 luôn tin rằng silicon là phương tiện để mở rộng quy mô máy tính lượng tử và ngày nay, với kết quả về chip điều khiển và qubit hàng đầu thế giới này, chúng tôi đã thực hiện một bước quan trọng hướng tới tầm nhìn này".