Đột phá trong nghiên cứu truyền tải dữ liệu giữa các máy tính bằng dịch chuyển lượng tử
Đột phá là bước đầu tiên trong việc xây dựng mạng lưới lượng tử
Công nghệ ngày nay, truyền dữ liệu giữa các máy tính chủ yếu dựa vào sóng điện từ và tín hiệu quang học. Tuy nhiên, một phương pháp mới đầy hứa hẹn đang xuất hiện. Đó là, truyền dữ liệu bằng lưỡng tử (qubit)[1]. Đây là công nghệ mang tính cách mạng, có thể thay đổi hoàn toàn cách chúng ta giao tiếp trong kỷ nguyên điện toán lượng tử. Mà mới đây các nhà nghiên cứu tại Đại học Oxford đã công bố một bài báo trên tạp chí Nature, mô tả cách họ dịch chuyển tức thời lượng tử, để truyền dữ liệu giữa hai máy tính lượng tử đặt cách nhau khoảng hai mét.
Các nhà khoa học còn tuyên bố khoảng cách không liên quan, vì thí nghiệm này có hiệu quả bất kể vị trí giữa các máy tính. Bước đột phá này thật đáng chú ý vì nó giải quyết được một phần trở ngại trong điện toán lượng tử.
Thay vì bóng bán dẫn, giống như máy tính truyền thống, máy tính lượng tử sử dụng qubit. Qubit có khả năng cho phép nhiều tùy chọn hơn so với bật/tắt bóng bán dẫn, tạo điều kiện cho các phép tính phức tạp hơn nhiều. Tuy nhiên, các kỹ sư vẫn chưa tìm ra cách thu nhỏ phần cứng và cần hàng chục nghìn qubit để thực hiện các phép tính phức tạp.
Trong khi đó, các nhà nghiên cứu đang cố gắng tìm cách liên kết nhiều máy tính lượng tử để hoạt động như một đơn vị. Ý tưởng này không khác gì so với điện toán phân tán với máy tính truyền thống, kết nối nhiều máy tính trên một mạng để giải quyết một vấn đề.
Tuy nhiên, máy tính lượng tử không thể giao tiếp theo cùng cách mà PC thông thường làm. Để kết nối hai (hoặc nhiều hơn, về mặt lý thuyết) máy tính lượng tử, các đối tượng lượng tử phải được định vị ở đầu gửi và đầu nhận. Sau đó, các đối tượng đó phải trở nên vướng víu(quantum entanglement)[2]. Sự vướng víu đặt cả hai qubit vào trạng thái không xác định nhưng được kết nối. Khi trạng thái của qubit được đo ở đầu gửi, qubit nhận bị vướng víu sẽ ngay lập tức có cùng trạng thái.
a , b , (1) Phân tích CZ của các mạch iSWAP ( a ) và SWAP ( b ) phân tán, bao gồm hai và ba trường hợp QGT tương ứng. (2) Ma trận quy trình được tái tạo cho các cổng iSWAP ( a ) và SWAP ( b ) chỉ ra độ trung thực của cổng trung bình lần lượt là 70(2)% và 64(2)%. c Thuật toán Grover. (1) Mạch bao gồm hai trường hợp QGT: trường hợp đầu tiên triển khai lệnh gọi oracle Grover, đánh dấu một trạng thái cụ thể, a , và trường hợp thứ hai triển khai mạch khuếch tán. (2) Kết quả đo lường từ 500 lần lặp lại thuật toán Grover cho mỗi trạng thái được đánh dấu; xác suất thành công trung bình là 71(1)%. Tất cả các thanh lỗi chỉ ra một độ lệch chuẩn.
Không đi sâu vào các hoạt động phức tạp của máy tính lượng tử, hành động vướng víu qubit trên hai hoặc nhiều máy ở các vị trí khác nhau cho thấy có thể xây dựng một mạng lượng tử. Các kết nối như vậy, có thể cung cấp thêm qubit cần thiết để thực hiện các chương trình và hoạt động phức tạp hơn.
Hơn nữa, dữ liệu vướng víu(Entangled Data)[3] cung cấp các phép tính chính xác hơn. Việc chuyển thông tin từ máy tính lượng tử sang máy tính truyền thống mà chúng ta có thể đọc và diễn giải có tỷ lệ lỗi cao hơn, và một rào cản khác mà các nhà khoa học đã phải vật lộn để giảm thiểu. Việc chuyển trạng thái qubit từ máy tính lượng tử này sang máy tính lượng tử khác là không mất dữ liệu, nghĩa là các nhà nghiên cứu không phải lo lắng về lỗi cho đến khi các máy tính được liên kết trả về kết quả.
Để đạt được bước đột phá này, các nhà khoa học đã tạo ra hai bẫy ion (hình bên dưới) được kết nối thông qua một cáp quang dài hai mét. Mỗi bẫy chứa một strontium và một ion calcium. Ion Calcium hoạt động như một đơn vị bộ nhớ cục bộ, trong khi strontium hoạt động như giao diện của mạng lượng tử. Cáp quang cho phép tia laser bắn photon để khởi động sự vướng víu.
Mặc dù sự vướng víu không thành công 100% với mọi photon được bắn ra, nhưng một sự cố không làm gián đoạn trạng thái của các ion. Do đó các nhà nghiên cứu có thể tiếp tục thử mà không cần phải thiết lập lại toàn bộ thí nghiệm. Hơn nữa, sự vướng víu tạo ra một photon có thể đo được, báo hiệu cho nhóm rằng nó đã đạt được sự vướng víu, một sản phẩm phụ may mắn và quan trọng.
Sau khi vướng víu, nhà khoa học có thể “dịch chuyển tức thời” các hoạt động cổng cụ thể đến các ion tiếp nhận. Sau nhiều vòng thử nghiệm thuật toán của Grover, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng mạng đơn giản này trả về các phép tính chính xác khoảng 70% thời gian. Tuy nhiên, họ lưu ý rằng các lỗi không liên quan đến quá trình dịch chuyển tức thời. Như dự kiến, các hoạt động cục bộ ở cả hai đầu của phần cứng đã tạo ra lỗi. Nhóm nghiên cứu tin rằng việc sử dụng phần cứng lượng tử thương mại sẽ mang lại kết quả chính xác hơn.
Đây là một bước phát triển đột phá trong điện toán lượng tử nhưng vẫn đang trong giai đoạn đầu. Mặc dù dịch chuyển tức thời không bị giới hạn bởi khoảng cách, nhưng nó bị giới hạn bởi độ dài của cáp quang có sẵn. Không rõ liệu nó có thể sử dụng cơ sở hạ tầng quang học hiện có hay không, nhưng điều này còn nghi ngờ, vì nhiễu mạng có thể gây ra vấn đề. Tuy nhiên, thực tế là chúng ta đã phát triển một cách để máy tính lượng tử trao đổi dữ liệu ngay lập tức là điều đáng kinh ngạc.
Nguồn hình ảnh:
D. Slichter ,
D. Main
[1]: Qubit (Quantum Bit) là đơn vị cơ bản của máy tính lượng tử, tương tự như bit trong máy tính truyền thống. Tuy nhiên, thay vì chỉ có hai trạng thái 0 hoặc 1, qubit có thể tồn tại ở cả hai trạng thái cùng lúc nhờ vào chồng chập lượng tử (quantum superposition).
[2]: Vướng víu lượng tử (Quantum Entanglement) là một hiện tượng trong cơ học lượng tử, trong đó hai (hoặc nhiều) hạt có thể liên kết với nhau một cách kỳ lạ, bất kể khoảng cách giữa chúng xa đến đâu. Khi một hạt thay đổi trạng thái, hạt còn lại cũng thay đổi ngay lập tức, dù chúng cách nhau hàng nghìn km.
Hãy tưởng tượng bạn có hai đồng xu đặc biệt. Bạn đặt một đồng xu ở Hà Nội và một đồng xu ở TP.HCM. Nếu bạn lật đồng xu ở Hà Nội và thấy nó là “mặt ngửa”, thì ngay lập tức đồng xu ở TP.HCM cũng sẽ trở thành “mặt úp”, dù không có bất kỳ sự liên lạc nào giữa hai đồng xu này.
[3]: Entangled Data (dữ liệu vướng víu) là một khái niệm xuất phát từ vướng víu lượng tử (quantum entanglement) trong vật lý lượng tử. Nó mô tả dữ liệu được liên kết theo cách mà khi một phần của dữ liệu thay đổi, phần còn lại cũng thay đổi ngay lập tức, dù khoảng cách giữa chúng có lớn đến đâu.
Hãy tưởng tượng bạn có hai hộp thư ma thuật. Mỗi hộp chứa một lá bài, nhưng chúng được “vướng víu” với nhau. Nếu bạn mở hộp ở Hà Nội và thấy lá bài màu đỏ, thì ngay lập tức hộp ở TP.HCM cũng sẽ chứa lá bài màu đỏ, mà không cần ai gửi thư hay truyền tín hiệu gì cả.
