Kết nối thành công hai QPU: Nền móng cho siêu máy tính lượng tử đang hình thành

6 giờ trướcBài gốc

Theo Live Science, kết quả này được công bố trên tạp chí Nature, mở ra triển vọng mới trong việc mở rộng quy mô các hệ thống lượng tử, một thách thức lớn mà cộng đồng nghiên cứu đã theo đuổi suốt nhiều năm.

Các nhà khoa học kết nối hai bộ xử lý bằng sợi quang, ở đường cho siêu máy tính lượng tử - Ảnh: Getty

Khả năng mở rộng của máy tính lượng tử

Một trong những trở ngại lớn nhất trong điện toán lượng tử hiện nay là việc mở rộng số lượng qubit (đơn vị cơ bản trong tính toán lượng tử). Các qubit có đặc tính cực kỳ nhạy cảm, dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh như nhiệt độ, rung động hoặc nhiễu điện từ. Điều này khiến chúng dễ mất ổn định và làm tăng nguy cơ mất thông tin lượng tử, hiện tượng được gọi là "mất kết nối lượng tử".

Càng thêm nhiều qubit, hệ thống càng phức tạp và cần thêm nhiều tài nguyên để duy trì độ chính xác và ổn định. Chính vì vậy, thay vì cố gắng tích hợp hàng triệu qubit vào thiết bị duy nhất, các nhà khoa học đang chuyển hướng sang phương án kết nối nhiều bộ xử lý lượng tử nhỏ hơn lại với nhau, hướng đi được gọi là điện toán lượng tử phân tán (DQC).

Trong nghiên cứu mới, hai bộ xử lý lượng tử (QPU) được đặt tên là Alice và Bob, đã được kết nối thông qua một giao diện mạng quang tử sử dụng sợi quang tiêu chuẩn. Việc liên kết này cho phép truyền photon mang thông tin lượng tử giữa hai thiết bị, bao gồm cả một thuật toán lượng tử, đánh dấu lần đầu tiên một phép tính lượng tử được chia sẻ giữa hai bộ xử lý.

Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã sử dụng hiện tượng vướng víu lượng tử giữa các photon để truyền thông tin. Vướng víu là một hiện tượng trong cơ học lượng tử, trong đó hai hạt có thể giữ mối liên kết lượng tử đặc biệt dù cách xa nhau, cho phép truyền thông tin tức thì về trạng thái của hạt còn lại khi một hạt bị đo.

Nhờ đó, hai bộ xử lý lượng tử không chỉ chia sẻ thông tin mà còn có thể hoạt động như một hệ thống duy nhất, đồng bộ hóa quá trình xử lý dữ liệu lượng tử.

Một điểm nổi bật của thử nghiệm là việc hai bộ xử lý cùng thực hiện thuật toán Grover (một thuật toán lượng tử được thiết kế để tìm kiếm một phần tử trong cơ sở dữ liệu không có cấu trúc). Đây là một ví dụ điển hình về cách điện toán lượng tử có thể vượt trội so với điện toán cổ điển trong việc xử lý các bài toán tìm kiếm phức tạp.

Việc hai bộ xử lý lượng tử thực hiện cùng một thuật toán không chỉ chứng minh khả năng hoạt động chung mà còn xác nhận tiềm năng mở rộng của điện toán lượng tử phân tán, trong đó nhiều đơn vị xử lý nhỏ có thể hợp tác giải quyết các bài toán lớn.

Tiềm năng xây dựng siêu máy tính lượng tử

Điện toán lượng tử phân tán có thể là chìa khóa để vượt qua giới hạn kỹ thuật trong việc tích hợp hàng triệu qubit vào một thiết bị duy nhất. Với cách tiếp cận mới, hệ thống có thể được chia thành nhiều mô đun nhỏ gồm các qubit ion bị bẫy, được kết nối với nhau qua cáp quang.

Điều này không chỉ giúp giảm thiểu độ phức tạp kỹ thuật, cấu trúc phân tán còn mang lại tính linh hoạt cao hơn trong bảo trì và nâng cấp hệ thống. Các mô đun có thể được thay thế hoặc cải tiến mà không làm gián đoạn toàn bộ hệ thống.

Mô hình này tương tự cách mà các siêu máy tính ngày nay hoạt động, với hàng trăm hoặc hàng nghìn bộ xử lý cổ điển kết nối với nhau để xử lý đồng thời các tác vụ lớn. Trong tương lai, một siêu máy tính lượng tử cũng có thể được xây dựng theo nguyên lý: kết nối nhiều bộ xử lý lượng tử bằng các đường truyền quang học trên khoảng cách xa.

Hiện tại, hai bộ xử lý lượng tử được đặt cách nhau khoảng 2m, đủ cho thí nghiệm ban đầu. Tuy nhiên, để ứng dụng thực tế, công nghệ này cần được kiểm chứng ở quy mô lớn hơn, đặc biệt là trên các khoảng cách địa lý xa hơn.

Một trong những giải pháp đang được xem xét là sử dụng bộ lặp lượng tử, thiết bị giúp tăng phạm vi truyền thông tin lượng tử qua sợi quang. Việc tích hợp các bộ lặp này có thể cho phép kết nối ổn định giữa các QPU cách nhau hàng chục, thậm chí hàng trăm cây số, một bước quan trọng hướng đến internet lượng tử toàn cầu.

Ngoài ra, việc tích hợp nhiều hơn hai bộ xử lý vào cùng hệ thống sẽ là bằng chứng vững chắc hơn cho tính khả thi của DQC. Nếu thành công, đây có thể là tiền đề để xây dựng một mạng lưới lượng tử phân tán rộng lớn, bao gồm các trung tâm dữ liệu lượng tử và các siêu máy tính lượng tử hoạt động liên kết trên toàn thế giới.

Kết nối thành công hai bộ xử lý lượng tử qua cáp quang là một bước đột phá trong lĩnh vực công nghệ lượng tử. Không chỉ giúp giải quyết bài toán mở rộng quy mô hệ thống, thành tựu này còn mở ra triển vọng xây dựng các siêu máy tính lượng tử và internet lượng tử trong tương lai.

Cũng như cuộc cách mạng điện toán cổ điển trong thế kỷ 20, điện toán lượng tử phân tán có thể là nền tảng cho làn sóng công nghệ tiếp theo, nơi các thiết bị lượng tử không còn hoạt động đơn lẻ, mà kết nối và tính toán cùng nhau, vượt xa mọi giới hạn hiện nay.

Bộ xử lý lượng tử (QPU) là bộ phận chính trong máy tính lượng tử, như CPU trong máy tính thông thường. Nhiệm vụ của QPU là thực hiện các phép tính dựa trên nguyên lý vật lý lượng tử, thông qua việc xử lý các qubit, đơn vị cơ bản lưu trữ thông tin trong máy tính lượng tử.

Khác với bit trong máy tính truyền thống (chỉ có hai trạng thái: 0 hoặc 1), qubit có thể tồn tại cùng lúc ở cả hai trạng thái đó nhờ hiện tượng chồng chập (superposition). Nhờ vậy, QPU có thể xử lý nhiều khả năng cùng lúc, giúp tăng tốc độ tính toán vượt trội trong một số bài toán.

QPU còn khai thác hiện tượng vướng víu lượng tử (quantum entanglement), cho phép các qubit liên kết với nhau, tạo nên khả năng trao đổi và xử lý thông tin hiệu quả hơn nhiều so với máy tính cổ điển.

Các phép toán trong QPU được thực hiện thông qua cổng lượng tử (quantum gates) giống như cổng logic trong máy tính thông thường nhưng hoạt động theo các nguyên tắc của cơ học lượng tử.

Tuy nhiên, QPU rất nhạy với môi trường xung quanh, nên thường phải được đặt trong điều kiện cực kỳ ổn định, đặc biệt là ở nhiệt độ cực thấp, gần với độ 0 tuyệt đối, để đảm bảo hoạt động chính xác và hạn chế mất mát thông tin.

Hoàng Vũ

Nguồn Một Thế Giới : https://1thegioi.vn/ket-noi-thanh-cong-hai-qpu-nen-mong-cho-sieu-may-tinh-luong-tu-dang-hinh-thanh-232881.html