Trong nhiều thập kỷ qua, tương lai đầy hứa hẹn của tính toán lượng tử đã tiêu tốn không ít nơ-ron của các nhà nghiên cứu thuốc, các điệp viên và cả các CEO công nghệ. Cỗ máy này, một khi được hoàn thiện, sẽ tăng tốc việc tìm ra các loại thuốc mới, đẩy nhanh quá trình giải mã, đồng thời hỗ trợ trí tuệ nhân tạo phân tích các dữ liệu số.
"Bộ óc" mới này được tạo ra dựa trên nguyên lý về sự chồng chập, vốn khẳng định một vật thể có thể đồng thời tồn tại ở hai trạng thái – giống như một đồng xu được tung lên và đang quay tít trong không trung, tại một thời điểm nhất định bạn xác định mặt của đồng xu thì nó sẽ có cả 2 trạng thái, sấp và ngửa.
Những con chip máy tính thông thường, dù là trên điện thoại hay trên một siêu máy tính, có chứa các bóng bán dẫn (transistor) có chức năng xử lý thông tin dưới dạng mã nhị phân: mọi thứ đều được gán cho một trong hai trạng thái nhất định, hoặc là 0 hoặc là 1. Các máy tính lượng tử sử dụng qubit, có thể có giá trị là 0 và 1 ở cùng một thời điểm.
Nhưng có một khó khăn: qubit không ổn định. Bất kỳ tác động nào cũng có thể làm rối các tính toán. Hai nhà vật lý ứng dụng đến từ Đại học Yale là Robert Schoelkopf và Michel Devoret đã tìm ra lời giải cho vấn đề này. Bằng cách sử dụng chất siêu dẫn – những vật liệu không kháng điện ở nhiệt độ cực thấp – hai nhà khoa học đã có thể tạo ra một không gian cho phép các thuật toán lượng tử hoạt động trơn tru. Hãy cùng nhìn vào phòng thí nghiệm của họ để thấy, cần đến một lực không nhỏ - và một chiếc tủ thật lạnh - để những mảnh vật liệu nhỏ bé mỏng tang này có thể "nghĩ lớn"
‘Ngài' Buồng lạnh
Bằng cách sử dụng chất siêu dẫn, Schoelkopf và Devoret đã tạo ra một không gian cho phép các thuật toán lượng tử hoạt động trơn tru (ảnh: Spencer Lowell)
Hoạt động của các qubit phụ thuộc vào rất nhiều thành phần. Một dãy máy phát vi sóng có nhiệm vụ tạo ra các xung điện từ xuyên qua một ma trận cáp đồng trục, khiến các qubit đặt trong một buồng lạnh màu xanh hoạt động. Để tạo ra không gian có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi trường xung quanh, một loạt các máy bơm được dùng để bơm heli-3 vào các ống đồng. Khi lưu thông, khí heli sẽ bị nén lại, hóa lỏng và giảm nhiệt. Mất một ngày để có được mức nhiệt thấp nhất: khoảng -270 độ C.
Mạng lưới các dây đồng trục có nhiệm vụ liên tiếp đưa/nhận các thuật toán vào/ra buồng lạnh. (ảnh: Spencer Lowell)
Nếu hai người làm việc cùng nhau, sẽ phải mất khoảng 2 tuần để luồn những dây này qua một chiếc xi lanh khổng lồ, trước khi kết nối chúng với đáy buồng lạnh.
Qubit phi thường (ảnh: Spencer Lowell)
Đây chính là qubit, trái tim lạnh lùng và phong nhã của tính toán lượng tử. Miếng vật liệu mỏng tang bằng sapphire tổng hợp dài hơn 2cm này được phủ bằng một lớp nhôm in dày khoảng 100 nanômét. Ở môi trường cực lạnh, các photon vi sóng đưa điểm kết nối tại khu vực có hình chữ Y vào trạng thái chồng chập. Các dải lượn sóng bên dưới sẽ truyền đi các kết quả tính toán của qubit.
Các mô-đun kết nối (ảnh: Spencer Lowell)
Sẽ cần đến một nhóm qubit để giải quyết một vấn đề phức tạp hơn việc tính mặt đồng xu. Các mô-đun có nhiệm vụ kết nối các qubit đó. Nhóm nghiên cứu thiết kế từng mô-đun cho từng mục tiêu cụ thể. Một số dùng cho việc xử lý dữ liệu, một số đọc dữ liệu, và một số mô-đun khác có nhiệm vụ khuếch đại. Nắm bắt được phương pháp có-thể-mở-rộng-quy-mô này quan trọng hơn việc chất đống những qubit lên nhau trong hành trình tạo ra máy tính lượng tử.
Đừng làm phiền (ảnh: Spencer Lowell)
Bên trong buồng làm lạnh, không gian rất yên ắng. Bất kỳ nhiễu khí quyển nào cũng có thể làm phát sinh lỗi tính toán, do đó các nhà khoa học phải tìm cách bảo vệ các qubit. Một chiếc van một chiều (bốn khối hình hộp chữ nhật ở trung tâm của ảnh trên) có nhiệm vụ lọc các tác nhân gây nhiễu, chẳng hạn tiếng ồn của phòng thí nghiệm.
Không phải tất cả mọi việc đều diễn ra bên trong buồng làm lạnh. Một thiết bị phân tích mạng (phía trước) có nhiệm vụ đảm bảo rằng các cáp vi sóng cần thiết cho việc truyền tín hiệu đang hoạt động tốt. Trong khi chiếc tủ cao màu xanh phía sau quản lý các bơm và van làm lạnh.
Những thành phần cơ bản làm nên tính toán lượng tử (ảnh: Spencer Lowell)
Các thành viên phòng thí nghiệm phải thường xuyên thiết kế và chế tạo các thành phần tùy chỉnh cho từng thực nghiệm cụ thể. Đó có thể là lắp hàng tá các qubit và các mô-đun kết nối qubit lại với nhau. Trong ảnh là những mô-đun cũ cùng các dây đồng trục và các bộ lọc tín hiệu.
Cần có nỗ lực không nhỏ - và một chiếc tủ thật lạnh - để những mảnh vật liệu nhỏ bé mỏng tang có thể "nghĩ lớn" (ảnh: Spencer Lowell)
Các thiết bị cũ sẽ phải làm việc ít hơn. Ở tuổi 15, thiết bị lạnh cao gần 300cm là một trong những ‘lão thành' của phòng thí nghiệm. Nó không thu hút được sự chú ý như những ‘thanh niên' trẻ tuổi. Cấu trúc nhỏ hẹp khiến việc đi dây trở nên khó khăn, và để làm lạnh được thiết bị này bạn sẽ phải nâng một chiếc thùng làm lạnh khá lớn từ dưới sàn nhà lên. Dù vậy, khi không sử dụng cho những nhiệm vụ mới, các sinh viên vẫn dùng nó cho các nghiên cứu nhanh.
Thu Trà
Theo Popular Science
