Các nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển loại chip lượng tử bằng silicon có thể thực hiện đầy đủ các phép toán logic kèm chức năng phát hiện lỗi – lần đầu tiên đạt được bước tiến này và được xem là cột mốc quan trọng hướng tới việc xây dựng máy tính lượng tử đáng tin cậy.

Nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology, cho biết thiết bị có khả năng xử lý thông tin lượng tử với cơ chế kiểm tra lỗi tích hợp sẵn – điều trước đây chỉ đạt được trên các nền tảng như mạch siêu dẫn, nhưng chưa từng xuất hiện với vật liệu silicon.

Theo nhóm nghiên cứu thuộc Viện Hàn lâm Lượng tử Quốc tế Thâm Quyến, kết quả này cho thấy các thành phần cốt lõi cần thiết để xây dựng một máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi ở quy mô ứng dụng rộng “đã được thiết lập trên nền silicon” – vật liệu vốn được sử dụng phổ biến trong điện thoại thông minh, máy tính xách tay và trung tâm dữ liệu.

Các nhà khoa học cũng sử dụng bộ xử lý này để tính toán trạng thái năng lượng thấp nhất của một phân tử nước, thu được kết quả gần với giá trị lý thuyết. Theo họ, điều này cho thấy phương pháp tiếp cận “có tính khả thi trong việc triển khai các thuật toán lượng tử thực tế”.

Máy tính lượng tử được thiết kế để giải quyết những bài toán mà ngay cả các máy tính truyền thống nhanh nhất cũng khó xử lý, chẳng hạn như mô phỏng phân tử hoặc tối ưu hóa các hệ thống phức tạp.

Không giống máy tính thông thường – xử lý dữ liệu dưới dạng bit 0 và 1 – máy tính lượng tử sử dụng các bit lượng tử (qubit), cho phép biểu diễn đồng thời nhiều trạng thái và giúp thực hiện một số phép tính hiệu quả hơn đáng kể.

Đến nay, các nguyên mẫu máy tính lượng tử đã được xây dựng dựa trên nhiều nền tảng vật liệu như mạch siêu dẫn, ion bị bẫy và nguyên tử trung hòa. Với vai trò là nền tảng của ngành công nghiệp chip hiện đại, silicon được đánh giá có tiềm năng vì máy tính lượng tử dựa trên vật liệu này có thể dễ dàng sản xuất hơn và mở rộng quy mô trong tương lai.

Trước nghiên cứu này, các thiết bị lượng tử silicon đã đạt được khả năng kiểm soát chính xác một số lượng nhỏ qubit, nhưng việc phối hợp chúng để có thể kiểm tra và phát hiện lỗi vẫn là thách thức lớn.

Nhóm nghiên cứu tại Thâm Quyến đã chế tạo bộ xử lý bằng cách đặt các nguyên tử phốt pho vào silicon với độ chính xác ở cấp độ nguyên tử, tạo ra một thiết bị siêu nhỏ cho phép điều khiển riêng lẻ từng qubit. Đồng thời, họ phát triển phương pháp giảm nhiễu tín hiệu – một trong những nguồn gây lỗi chính trong hệ thống lượng tử.

Sử dụng 4 qubit, nhóm đã chia chúng thành 2 đơn vị được bảo vệ để phục vụ tính toán. Cách tiếp cận này giúp thiết bị có thể phát hiện các lỗi do nhiễu hoặc tác động bên ngoài gây ra – những yếu tố có thể làm sai lệch kết quả tính toán.

Theo nhóm nghiên cứu, đây là bộ xử lý lượng tử silicon đầu tiên thể hiện đầy đủ chuỗi vận hành – từ chuẩn bị trạng thái có kiểm tra lỗi, thực hiện các bước tính toán chính, đến ứng dụng trong một thuật toán thực tế.

Thách thức tiếp theo của nhóm là giảm thêm nhiễu giữa các tín hiệu, nâng cao độ chính xác khi đặt nguyên tử, đồng thời mở rộng hệ thống để nhiều qubit có thể cùng hoạt động trên một con chip.