Máy tính lượng tử tiến thêm một bước: Qubit duy trì ổn định trong 1 mili giây

Máy tính lượng tử được kỳ vọng sẽ vượt qua giới hạn tính toán của mọi siêu máy tính hiện nay, nhờ vào những nguyên lý kỳ lạ của cơ học lượng tử. Tuy nhiên, để đạt được điều đó, các nhà khoa học phải vượt qua một trong những trở ngại lớn nhất: duy trì trạng thái ổn định của qubit – đơn vị thông tin cơ bản trong máy tính lượng tử.

Mới đây, nhóm nghiên cứu do TS. Mikko Möttönen dẫn đầu tại Đại học Aalto (Phần Lan) đã công bố trên tạp chí Nature Communications rằng họ đã thiết lập kỷ lục mới về thời gian duy trì trạng thái (coherence time) của một qubit siêu dẫn dạng transmon: 1 mili giây – vượt xa mốc 0,6 mili giây do Fermilab đạt được năm ngoái.

Trong máy tính lượng tử, qubit không chỉ tồn tại ở trạng thái 0 hoặc 1 mà còn có thể ở nhiều trạng thái cùng lúc, gọi là chồng chập (superposition). Nhờ đặc tính này, qubit có khả năng xử lý lượng thông tin vượt trội so với bit thông thường. Tuy nhiên, điều này cũng khiến chúng rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ môi trường xung quanh – gây ra hiện tượng mất trạng thái (decoherence) và dẫn đến sai số trong tính toán.

Để khắc phục điều đó, các nhà khoa học sử dụng kỹ thuật sửa lỗi lượng tử (quantum error correction) – ghép nhiều qubit vật lý thành một qubit logic. Nhưng theo TS. Ioan Pop từ Viện Công nghệ Karlsruhe (Đức), kỹ thuật này dù hữu ích nhưng vẫn chưa thể xử lý triệt để vấn đề mất dữ liệu.

Do đó, nhóm của Möttönen đã chuyển hướng sang cải tiến chính qubit vật lý, từ cách thiết kế mạch, lựa chọn vật liệu đến việc làm sạch bề mặt tiếp xúc. Cuối cùng, họ tìm ra cách giúp qubit duy trì trạng thái ổn định tới 1 mili giây – tương đương 1 triệu nano giây. Khoảng thời gian này là quá đủ để máy tính lượng tử thực hiện hàng triệu phép tính phức tạp.

Möttönen cho biết: "Thời gian hoạt động dài hơn đồng nghĩa với ít lỗi hơn, giảm nhu cầu sửa lỗi và giúp tăng khả năng mở rộng hệ thống."

Việc tăng thời gian duy trì trạng thái không chỉ giảm chi phí tính toán mà còn giúp máy tính lượng tử tiến gần hơn tới hiệu năng mong muốn. Ví dụ, Google Sycamore – từng gây chú ý khi tuyên bố đạt "lợi thế lượng tử" năm 2019 – chỉ có 53 qubit. Trong khi đó, hệ thống của Quantinuum có 56 qubit và đạt hiệu suất cao hơn, dù vẫn chưa được công nhận là vượt trội hoàn toàn.

TS. Pop nhận xét: “Tôi không ngạc nhiên việc làm sạch bề mặt cải thiện hiệu suất, nhưng tôi ấn tượng vì họ đã làm được điều đó – không dễ chút nào.”

Dù chưa phải bước đột phá cuối cùng, kết quả này vẫn là cột mốc quan trọng. Möttönen tin rằng: “Các máy tính lượng tử hiện nay đã đủ tốt để chạy những mạch thực tiễn. Chúng ta chỉ cần cải thiện thêm một chút – điều đó đang đến rất gần.”