Bài học rút ra chính
- Chế tạo máy tính lượng tử thực tế có thể xoay quanh việc tìm ra những cách tốt hơn để sử dụng vật liệu siêu dẫn không có điện trở.
- Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge đã phát hiện ra một phương pháp để tìm các electron liên kết với độ chính xác cực cao.
- Máy tính lượng tử siêu dẫn hiện đang đánh bại các công nghệ của đối thủ về kích thước bộ xử lý.
Máy tính lượng tử thực tế có thể sớm xuất hiện với những tác động sâu sắc cho mọi thứ, từ khám phá ma túy đến phá mã.
Trong một bước hướng tới việc chế tạo những cỗ máy lượng tử tốt hơn, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge gần đây đã đo dòng điện giữa một đầu kim loại sắc nhọn về mặt nguyên tử và một chất siêu dẫn. Phương pháp mới này có thể tìm thấy các electron liên kết với độ chính xác cực cao trong một bước di chuyển có thể giúp phát hiện các loại chất siêu dẫn mới, không có điện trở.
"Các mạch siêu dẫn là công cụ đi đầu hiện nay để xây dựng các bit lượng tử (qubit) và các cổng lượng tử trong phần cứng", Toby Cubitt, giám đốc của Phasecraft, một công ty chuyên xây dựng các thuật toán cho các ứng dụng lượng tử, nói với Lifewire trong một email phỏng vấn. "Qubit siêu dẫn là các mạch điện ở trạng thái rắn, có thể được thiết kế với độ chính xác và tính linh hoạt cao."
Hành động ma quái
Máy tính lượng tử tận dụng lợi thế của thực tế là các electron có thể nhảy từ hệ thống này sang hệ thống khác trong không gian bằng cách sử dụng các đặc tính bí ẩn của vật lý lượng tử. Nếu một điện tử kết đôi với một điện tử khác ngay tại điểm mà kim loại và chất siêu dẫn gặp nhau, nó có thể tạo thành cặp Cooper. Chất siêu dẫn cũng giải phóng một loại hạt khác vào kim loại, được gọi là phản xạ Andreev. Các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm những phản xạ Andreev này để phát hiện các cặp Cooper.
Đại học A alto / Jose Lado
Các nhà khoa học ở Oak Ridge đã đo dòng điện giữa một đầu kim loại sắc nhọn về mặt nguyên tử và một chất siêu dẫn. Cách tiếp cận này cho phép họ phát hiện lượng phản xạ Andreev quay trở lại chất siêu dẫn.
Kỹ thuật này thiết lập một phương pháp luận mới quan trọng để hiểu cấu trúc lượng tử bên trong của các loại chất siêu dẫn kỳ lạ được gọi là chất siêu dẫn độc đáo, có khả năng cho phép chúng ta giải quyết nhiều vấn đề mở trong vật liệu lượng tử, Jose Lado, trợ lý giáo sư tại Đại học A alto, nơi cung cấp hỗ trợ lý thuyết cho nghiên cứu, cho biết trong một thông cáo báo chí.
Igor Zacharov, một nhà khoa học nghiên cứu cấp cao tại Phòng thí nghiệm Xử lý Thông tin Lượng tử, Skoltech ở Moscow, nói với Lifewire qua email rằng chất siêu dẫn là một trạng thái vật chất trong đó các electron không bị mất năng lượng do tán xạ trên các hạt nhân khi tiến hành dòng điện và dòng điện có thể chạy không suy giảm.
"Trong khi các electron hoặc hạt nhân có trạng thái lượng tử có thể được khai thác để tính toán, thì dòng điện siêu dẫn hoạt động như một đơn vị lượng tử vĩ mô với các thuộc tính lượng tử," ông nói thêm. "Do đó, chúng tôi phục hồi tình huống trong đó trạng thái vĩ mô của vật chất có thể được sử dụng để tổ chức xử lý thông tin trong khi nó có các hiệu ứng lượng tử rõ ràng có thể mang lại cho nó một lợi thế tính toán."
Một trong những thách thức lớn nhất trong điện toán lượng tử ngày nay liên quan đến cách chúng ta có thể làm cho chất siêu dẫn hoạt động tốt hơn nữa.
Tương lai siêu dẫn
Máy tính lượng tử siêu dẫn hiện đang đánh bại các công nghệ của đối thủ về kích thước bộ xử lý, Cubitt nói. Google đã chứng minh cái gọi là "quyền tối cao lượng tử" trên thiết bị siêu dẫn 53 qubit vào năm 2019. IBM gần đây đã ra mắt máy tính lượng tử với 127 qubit siêu dẫn và Rigetti đã công bố chip siêu dẫn 80 qubit.
"Tất cả các công ty phần cứng lượng tử đều có lộ trình đầy tham vọng để mở rộng quy mô máy tính của họ trong tương lai gần", Cubitt nói thêm. "Điều này được thúc đẩy bởi một loạt các tiến bộ trong kỹ thuật, cho phép phát triển các thiết kế và tối ưu hóa qubit phức tạp hơn. Thách thức lớn nhất đối với công nghệ cụ thể này là cải thiện chất lượng của các cổng, tức là cải thiện độ chính xác của bộ xử lý. có thể thao tác thông tin và chạy tính toán."
Chất siêu dẫn tốt hơn có thể là chìa khóa để tạo ra máy tính lượng tử thực tế. Michael Biercuk, Giám đốc điều hành của công ty điện toán lượng tử Q-CTRL, cho biết trong một cuộc phỏng vấn qua email rằng hầu hết các hệ thống điện toán lượng tử hiện nay đều sử dụng hợp kim niobi và nhôm, trong đó hiện tượng siêu dẫn được phát hiện vào những năm 1950 và 1960.
"Một trong những thách thức lớn nhất trong điện toán lượng tử ngày nay liên quan đến cách chúng ta có thể làm cho chất siêu dẫn hoạt động tốt hơn nữa", Biercuk nói thêm. "Ví dụ, các tạp chất trong thành phần hóa học hoặc cấu trúc của các kim loại lắng đọng có thể gây ra các nguồn gây nhiễu và suy giảm hiệu suất trong máy tính lượng tử - những điều này dẫn đến các quá trình được gọi là sự suy giảm trong đó 'lượng tử' của hệ thống bị mất."
Tính toán lượng tử đòi hỏi sự cân bằng tinh tế giữa chất lượng của một qubit và số lượng qubit, Zacharov giải thích. Mỗi khi một qubit tương tác với môi trường, chẳng hạn như nhận tín hiệu để 'lập trình', nó có thể mất trạng thái vướng víu.
"Mặc dù chúng tôi nhận thấy những tiến bộ nhỏ trong từng hướng công nghệ được chỉ định, nhưng việc kết hợp chúng thành một thiết bị hoạt động tốt vẫn còn là điều khó nắm bắt", ông nói thêm.
'Chén Thánh' của điện toán lượng tử là một thiết bị có hàng trăm qubit và tỷ lệ lỗi thấp. Các nhà khoa học không thể thống nhất về cách họ sẽ đạt được mục tiêu này, nhưng một câu trả lời có thể là sử dụng chất siêu dẫn.
"Số lượng qubit trong một thiết bị siêu dẫn silicon ngày càng tăng dẫn đến nhu cầu về những cỗ máy làm mát khổng lồ có thể thúc đẩy khối lượng hoạt động lớn gần bằng nhiệt độ 0 tuyệt đối", Zacharov nói.
