Nguyễn Đức Thao
Writer
Các nhà khoa học tại UNSW đã thành công đưa thí nghiệm tư duy lượng tử nổi tiếng “con mèo của Schrödinger” vào thực tế. Thành tựu này không chỉ giúp phát triển cách thực hiện các phép tính lượng tử mới, mạnh mẽ hơn mà còn mở ra triển vọng trong việc sửa lỗi lượng tử – một trong những thách thức lớn nhất trên hành trình tạo ra máy tính lượng tử hoạt động thực tiễn.
Theo cơ học lượng tử, trạng thái của một nguyên tử có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng lúc nếu không bị quan sát. Điều này dẫn đến hình dung về con mèo vừa sống vừa chết cùng lúc, được dùng như một ẩn dụ để mô tả sự chồng chập trạng thái lượng tử. Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Andrea Morello đã hiện thực hóa ý tưởng này bằng việc sử dụng một nguyên tử antimon làm “con mèo”.
Antimon là một nguyên tử có tính chất đặc biệt, sở hữu tám hướng spin khác nhau. Sự chồng chập của các trạng thái spin này phức tạp hơn nhiều so với qubit tiêu chuẩn, vốn chỉ có hai trạng thái. Điều này giúp hệ thống kháng cự lại các lỗi tính toán tốt hơn. Nếu một lỗi xảy ra trong hệ qubit thông thường, trạng thái có thể đảo lộn ngay lập tức. Tuy nhiên, với antimon, một lỗi không đủ để phá hỏng thông tin, vì cần tới bảy lỗi liên tiếp mới làm xáo trộn mã lượng tử. Điều này tương tự như con mèo với “bảy mạng sống”, có khả năng chống chịu và phục hồi trước tổn hại.
Hệ thống antimon được tích hợp trong một con chip silicon, tương tự như những con chip máy tính hiện nay. Công nghệ này không chỉ cho phép kiểm soát trạng thái lượng tử của nguyên tử mà còn có tiềm năng mở rộng quy mô bằng các phương pháp chế tạo chip truyền thống. Sự kết hợp giữa vật lý lượng tử và công nghệ silicon đã tạo nên một nền tảng vững chắc cho việc phát triển máy tính lượng tử trong tương lai.
Ý nghĩa quan trọng nhất của công trình này nằm ở khả năng phát hiện và sửa lỗi lượng tử – được xem như “Chén Thánh” trong lĩnh vực điện toán lượng tử. Với cách tiếp cận mới, lỗi lượng tử không chỉ được phát hiện sớm mà còn có thể sửa chữa trước khi tích tụ và gây hỏng thông tin. Điều này giúp hệ thống trở nên bền vững và đáng tin cậy hơn, đưa chúng ta tiến gần hơn đến một thế hệ máy tính lượng tử thực sự hoạt động.
Nghiên cứu này là kết quả hợp tác quốc tế, với sự tham gia của nhiều tổ chức từ Úc, Mỹ, và Canada. Giáo sư Morello nhấn mạnh: “Đây là minh chứng tuyệt vời cho sự hợp tác xuyên biên giới giữa các nhóm nghiên cứu hàng đầu, kết hợp chuyên môn để giải quyết những thách thức lớn trong khoa học lượng tử.”
Theo cơ học lượng tử, trạng thái của một nguyên tử có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng lúc nếu không bị quan sát. Điều này dẫn đến hình dung về con mèo vừa sống vừa chết cùng lúc, được dùng như một ẩn dụ để mô tả sự chồng chập trạng thái lượng tử. Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Andrea Morello đã hiện thực hóa ý tưởng này bằng việc sử dụng một nguyên tử antimon làm “con mèo”.
Antimon là một nguyên tử có tính chất đặc biệt, sở hữu tám hướng spin khác nhau. Sự chồng chập của các trạng thái spin này phức tạp hơn nhiều so với qubit tiêu chuẩn, vốn chỉ có hai trạng thái. Điều này giúp hệ thống kháng cự lại các lỗi tính toán tốt hơn. Nếu một lỗi xảy ra trong hệ qubit thông thường, trạng thái có thể đảo lộn ngay lập tức. Tuy nhiên, với antimon, một lỗi không đủ để phá hỏng thông tin, vì cần tới bảy lỗi liên tiếp mới làm xáo trộn mã lượng tử. Điều này tương tự như con mèo với “bảy mạng sống”, có khả năng chống chịu và phục hồi trước tổn hại.
Hệ thống antimon được tích hợp trong một con chip silicon, tương tự như những con chip máy tính hiện nay. Công nghệ này không chỉ cho phép kiểm soát trạng thái lượng tử của nguyên tử mà còn có tiềm năng mở rộng quy mô bằng các phương pháp chế tạo chip truyền thống. Sự kết hợp giữa vật lý lượng tử và công nghệ silicon đã tạo nên một nền tảng vững chắc cho việc phát triển máy tính lượng tử trong tương lai.
Ý nghĩa quan trọng nhất của công trình này nằm ở khả năng phát hiện và sửa lỗi lượng tử – được xem như “Chén Thánh” trong lĩnh vực điện toán lượng tử. Với cách tiếp cận mới, lỗi lượng tử không chỉ được phát hiện sớm mà còn có thể sửa chữa trước khi tích tụ và gây hỏng thông tin. Điều này giúp hệ thống trở nên bền vững và đáng tin cậy hơn, đưa chúng ta tiến gần hơn đến một thế hệ máy tính lượng tử thực sự hoạt động.
Nghiên cứu này là kết quả hợp tác quốc tế, với sự tham gia của nhiều tổ chức từ Úc, Mỹ, và Canada. Giáo sư Morello nhấn mạnh: “Đây là minh chứng tuyệt vời cho sự hợp tác xuyên biên giới giữa các nhóm nghiên cứu hàng đầu, kết hợp chuyên môn để giải quyết những thách thức lớn trong khoa học lượng tử.”
