Mở rộng quy mô máy tính lượng tử với Qubit nguyên tử đơn

Qubit đơn nguyên tử: Kỷ nguyên mới cho máy tính lượng tử

Máy tính lượng tử là những cỗ máy cực kỳ phức tạp, khai thác những biến đổi nhỏ trong hành vi của từng nguyên tử để tính toán. Nhờ đó, chúng vừa tận dụng vừa hé lộ những hiểu biết mới về bản chất của vũ trụ ở cấp độ nguyên tử và từng hạt riêng lẻ.

Những hiểu biết sâu sắc như vậy có thể sẽ cần thiết để xây dựng máy tính lượng tử quy mô lớn, vì hệ thống càng phức tạp thì càng khó xây dựng đủ lớn để sử dụng thực tế.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Sydney, Úc, gần đây đã thành công trong việc mã hóa nhiều dữ liệu tính toán lượng tử vào một nguyên tử duy nhất, có khả năng cách mạng hóa kích thước vật lý của qubit điện toán lượng tử (tương đương lượng tử với bit của máy tính "thông thường").

Họ đã công bố kết quả của mình trên tạp chí khoa học uy tín Nature Physics¹, Dưới tựa đề "Bộ cổng lượng tử phổ quát cho qubit logic Gottesman–Kitaev–Preskill".

Làm cho Qubit đáng tin cậy

Hiện nay, qubit được sản xuất thông qua phương pháp gọi là "ion bị bẫy" hoặc bằng cách sử dụng vật liệu siêu dẫn cực lạnh.

Nguồn: Forbes

Cả hai phương pháp đều có những hạn chế:

• Các ion bị giữ lại chỉ chứa một số ít qubit, nhưng đáng tin cậy hơn và ít tạo ra lỗi hơn.
• Vật liệu siêu dẫn có nhiều qubit hơn và dự kiến ​​sẽ dễ mở rộng quy mô hơn, nhưng dễ xảy ra lỗi hơn.

Trong cả hai trường hợp, tỷ lệ lỗi đều ảnh hưởng đến tỷ lệ qubit vật lý/logic hoặc số lượng qubit vật lý cần thiết để tạo ra một qubit chức năng theo quan điểm tính toán.

Khi số lượng qubit hữu ích (hoặc logic) tăng lên, số lượng qubit vật lý cần thiết cũng tăng lên. Khi quy mô tăng lên, số lượng qubit khổng lồ cần thiết để tạo ra một máy lượng tử hữu ích trở thành một cơn ác mộng kỹ thuật.

Vì vậy, việc tạo ra máy tính lượng tử có khả năng chống lỗi tốt hơn có lẽ là nhiệm vụ quan trọng nhất của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này hiện nay, vì nó sẽ loại bỏ trở ngại chính đối với việc xây dựng các máy tính lượng tử quy mô lớn hữu ích.

Vuốt để cuộn →

Thu nhỏ Qubit

Các nhà nghiên cứu Úc đã sử dụng hệ thống máy tính lượng tử ion bị bẫy (với một nguyên tử ytterbi tích điện) và một dạng mã hóa dữ liệu gọi là mã Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP).

GKP là một loại mã được kỳ vọng sẽ giúp sửa lỗi trong máy tính lượng tử. Tuy nhiên, việc tạo ra một mã như vậy trên thực tế cho đến nay vẫn còn rất khó khăn.

Chìa khóa là tạo ra một “cổng logic”, một công tắc thông tin cho phép máy tính – lượng tử và cổ điển – có thể lập trình được.

Sử dụng phần mềm điều khiển lượng tử do Q-CTRL, một công ty khởi nghiệp tách ra từ Phòng thí nghiệm điều khiển lượng tử, phát triển, các nhà nghiên cứu đã mã hóa dữ liệu thành một nguyên tử duy nhất, ở dạng 3D.

Về bản chất, hai bộ dữ liệu được lưu trữ dưới dạng rung động của một nguyên tử duy nhất, một bộ là rung động từ "trái sang phải" và một bộ là rung động từ "lên và xuống".

“Về cơ bản, chúng tôi lưu trữ hai qubit logic có thể sửa lỗi trong một ion bị bẫy duy nhất và chứng minh sự vướng víu giữa chúng.

Vassili Matsos – Nghiên cứu sinh Tiến sĩ tại Khoa Vật lý và Sydney Nano

Xây dựng một cổng logic nguyên tử đơn

Để thực hiện kỳ ​​tích vật lý lượng tử đó, họ đã sử dụng một mảng tia laser phức tạp ở nhiệt độ phòng để giữ nguyên tử đơn lẻ trong bẫy, cho phép kiểm soát và sử dụng các rung động tự nhiên của nó để tạo ra các mã GKP phức tạp.

Nguồn: Vật lý tự nhiên

Phần "nhiệt độ phòng" rất quan trọng vì nó giúp cho việc thực hiện dễ dàng và rẻ hơn so với máy tính lượng tử siêu dẫn đòi hỏi nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối và heli lỏng.

“Các thí nghiệm của chúng tôi đã chứng minh được sự hiện thực hóa đầu tiên của một bộ cổng logic phổ quát cho qubit GKP.

Chúng tôi đã thực hiện điều này bằng cách kiểm soát chính xác các rung động tự nhiên hoặc dao động điều hòa của một ion bị mắc kẹt theo cách mà chúng tôi có thể thao tác từng qubit GKP hoặc làm rối chúng thành một cặp.”

Tiến sĩ Tingrei Tan – Viện Nano Đại học Sydney

Hướng tới máy tính lượng tử có khả năng mở rộng

Sự kết hợp giữa bộ điều khiển nhiệt độ phòng, cổng logic nguyên tử đơn và mã giảm lỗi khiến cho khám phá này trở nên quan trọng đến vậy.

Cùng nhau, điều này mở đường cho một loại máy tính lượng tử ion bị bẫy mới có thể dễ chế tạo hơn và dễ mở rộng quy mô hơn nhiều.

“Các thí nghiệm của chúng tôi đã đạt được một cột mốc quan trọng, chứng minh rằng các bộ điều khiển lượng tử chất lượng cao này cung cấp một công cụ quan trọng để thao tác nhiều hơn một qubit logic.

Bằng cách chứng minh các cổng lượng tử phổ quát sử dụng các qubit này, chúng tôi có nền tảng để hướng tới việc xử lý thông tin lượng tử quy mô lớn theo cách hiệu quả cao về mặt phần cứng.”

Tiến sĩ Tingrei Tan – Viện Nano Đại học Sydney

Song song đó, một số khám phá mới gần đây đã được thực hiện cho thấy tiềm năng kết nối các máy tính lượng tử với nhau. Vì vậy, nếu mỗi máy tính ngày càng mạnh hơn và mạng lưới lượng tử ngày càng tiến gần hơn đến hiện thực, điều này có thể giúp tạo ra sự bùng nổ về dung lượng qubit khả dụng.

Máy tính lượng tử mở ra nền vật lý mới

Máy tính lượng tử mở rộng có thể sẽ cách mạng hóa ngành mật mã và nghiên cứu khoa học, nhờ vào khả năng khổng lồ của chúng trong việc giải quyết các vấn đề phức tạp mà máy tính nhị phân không thể tính toán được.

Nhưng nó cũng có thể gián tiếp mở ra một cách hoàn toàn mới cho các nhà vật lý nghiên cứu lĩnh vực lượng tử.

Đây là những gì xuất hiện từ các phân tích được thực hiện trên máy tính lượng tử của Google bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Princeton, Đại học Cornell, Đại học Purdue, Đại học Nottingham (Anh), Đại học Kỹ thuật Munich (Đức) và Google Research, theo một ấn phẩm mới trên tạp chí Nature², có tiêu đềHình dung động lực học của điện tích và dây trong lý thuyết mạng lưới (2 + 1)D".

Lý thuyết đo lường

Máy tính lượng tử của Google cho phép các nhà nghiên cứu thử nghiệm và kiểm tra cái gọi là "Lý thuyết mạng lưới" (LGT), một loại lý thuyết trường lượng tử giả định sự tồn tại của trường đo lường (trường truyền lực, giống như trường điện từ) và boson đo lường (các hạt cơ bản mang các lực này).

Nguồn: Thiên nhiên

Nhóm nghiên cứu đã chứng minh cách các hạt và "sợi dây" vô hình kết nối chúng hoạt động, dao động và thậm chí đứt ra.

Nguồn: Thiên nhiên

Các nhà nghiên cứu đã xác nhận trong nghiên cứu đó rằng những "chuỗi" này có thể được đo lường và quan sát trong máy tính lượng tử.

“Sử dụng sức mạnh của bộ xử lý lượng tử, chúng tôi đã nghiên cứu động lực học của một loại lý thuyết đo lường cụ thể và quan sát cách các hạt và 'dây' vô hình kết nối chúng phát triển theo thời gian.”

Bàn đạp Roushan – AI lượng tử của Google

Bằng cách tạo ra những tình huống được kiểm soát chặt chẽ để quan sát các hiệu ứng lượng tử, mà không cần đến mức năng lượng rất cao của máy gia tốc hạt, rõ ràng là máy tính lượng tử có thể trở thành công cụ chính của nghiên cứu vật lý cơ bản.

“Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy máy tính lượng tử có thể giúp chúng ta khám phá các quy luật cơ bản chi phối vũ trụ.

Bằng cách mô phỏng những tương tác này trong phòng thí nghiệm, chúng ta có thể kiểm tra các lý thuyết theo những cách mới.”

Michael Knap, Giáo sư về Động lực học Lượng tử Tập thể tại Trường Khoa học Tự nhiên TUM

Tương lai của máy tính lượng tử có khả năng mở rộng

Tiềm năng của máy tính lượng tử vẫn chưa được hiểu đầy đủ, vì chúng thường xuyên được tái tạo từ các nguyên lý cơ bản, không khác gì cách những chiếc máy tính đầu tiên chuyển từ thẻ đục lỗ sang ống chân không rồi đến bóng bán dẫn silicon. Ngoại trừ việc tốc độ thay đổi nhanh hơn nhiều.

Điều này ngụ ý rằng rất sớm thôi, chúng ta có thể thấy những tiến bộ vượt bậc trong việc sản xuất máy tính lượng tử lớn hơn, mạnh hơn, đồng thời có thể được kết nối mạng để có năng lực thậm chí còn lớn hơn.

Điều này có thể mở đường không chỉ cho năng lực tính toán cao hơn nhiều mà còn là một sự hiểu biết hoàn toàn mới về vật chất và vật lý lượng tử, ví dụ như một trạng thái vật chất hoàn toàn mới như "trạng thái tôpô" mới được các nhóm máy tính lượng tử của Microsoft chứng minh gần đây (chip Majorana-1).

Đầu tư vào máy tính lượng tử

Honeywell / Quantinuum

Trong khi máy tính lượng tử của Google có thể tiết lộ hiểu biết mới về lý thuyết vật lý lượng tử, thì việc phát hiện ra qubit 1 nguyên tử tiềm năng sử dụng công nghệ ion bị bẫy dường như khiến phương pháp này gần hơn nhiều với khả năng thương mại hóa so với máy tính lượng tử siêu dẫn.

Quantinuum là kết quả của sự hợp nhất giữa Honeywell Quantum Solutions và Cambridge Quantum.

Honeywell vẫn là cổ đông lớn nhất của công ty (có khả năng sở hữu 52%) sau vòng gọi vốn định giá ở mức 5 tỷ đô la. Người sáng lập Ilyas Khan được cho là sở hữu khoảng 20% ​​công ty. Các cổ đông khác bao gồm JSR Corporation, Mitsui, Amgen, IBM và JP Morgan.

Một đợt IPO tiềm năng của Quantinuum trong tương lai, có khả năng là một phần của quá trình tái cấu trúc doanh nghiệp lớn hơn, ước tính có giá trị lên tới 20 tỷ đô la và có thể xảy ra trong khoảng thời gian từ năm 2026 đến năm 2027.

Máy tính lượng tử không phải là trọng tâm trong hoạt động kinh doanh của Honeywell mà tập trung nhiều hơn vào các sản phẩm trong ngành hàng không vũ trụ, tự động hóa, hóa chất & vật liệu đặc biệt.

Tuy nhiên, mỗi miền này đều có thể được hưởng lợi từ điện toán lượng tử, đặc biệt là hóa học tính toán và an ninh mạng lượng tử, có khả năng mang lại cho Honeywell lợi thế so với các đối thủ cạnh tranh.

Mẫu sản phẩm chính của công ty hiện nay là H2, chip ion bẫy 56 qubit, với độ trung thực cổng hai qubit là 99.895%.

Công ty đã theo đuổi công nghệ điện toán chất lượng cao với rất ít lỗi, hơn cả việc thêm càng nhiều qubit càng tốt, tạo ra cái gọi là "điện toán lượng tử có khả năng chịu lỗi".

Phương pháp này được công ty dán nhãn là “Qubit tốt hơn, kết quả tốt hơn”, với số lượng qubit tương tự đạt được kết quả đáng tin cậy hơn từ 100-1,000 lần.

Nguồn: Chân không lượng tử

Điều này có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể trong mật mã chống lượng tử đang rất cần thiết, với công ty quốc phòng Thales (HO.PA -0.96%) đang hợp tác với Quantinuum cũng như ngân hàng quốc tế HSBC và JP Morgan.

Quantinuum cũng cung cấp hóa học tính toán lượng tử độc quyền của mình trong lượng, có thể sử dụng trong dược phẩm, khoa học vật liệu, hóa chất, năng lượng và ứng dụng hàng không vũ trụ.

Giống như nhiều công ty điện toán lượng tử khác, Quantinuum cung cấp Helios, một “phần cứng dưới dạng dịch vụ”, cho phép người dùng được hưởng lợi từ điện toán lượng tử mà không cần phải xử lý sự phức tạp trong việc vận hành hệ thống.

Quantinuum đã ký kết hợp tác với Infineon của Đức vào tháng 2024 năm XNUMXNhà sản xuất chất bán dẫn lớn nhất châu Âu. Infineon sẽ mang công nghệ điện tử điều khiển và quang tử tích hợp của mình để giúp tạo ra thế hệ máy tính lượng tử ion bị bẫy tiếp theo.

Khi quang tử tích hợp đang dần được ứng dụng thực tế, tầm quan trọng của mối quan hệ hợp tác này đối với tương lai của Quantinuum đã được thể hiện rõ ràng. Tại thời điểm này, có vẻ như bước tiếp theo của công ty sẽ là ra mắt chip quang tử lượng tử tập trung vào AI đầu tiên trên thế giới.

Trong những tháng tới, Quantinuum sẽ chia sẻ kết quả từ các hoạt động hợp tác đang diễn ra, cho thấy tiềm năng đột phá của những tiến bộ do lượng tử thúc đẩy trong AI tạo ra.

Khả năng cải tiến Gen QAI sẽ nâng cao và đẩy nhanh việc sử dụng Khung hữu cơ kim loại để phân phối thuốc, mở đường cho các lựa chọn điều trị hiệu quả và cá nhân hóa hơn, với thông tin chi tiết sẽ được tiết lộ khi ra mắt Helios.

Quantinuum công bố đột phá về AI lượng tử tạo sinh với tiềm năng thương mại lớn

Nhiều trường hợp sử dụng liên tục hơn có thể thúc đẩy mạnh mẽ giá trị tương lai của công ty, do đó, giá trị của Honeywell trong đó và lợi nhuận tiềm năng mà các nhà đầu tư có thể kiếm được từ đó.

(Bạn có thể đọc thêm về phần còn lại của các hoạt động công nghiệp của Honeywell trong lĩnh vực tự động hóa, hàng không vũ trụ và vật liệu tiên tiến trong báo cáo dành riêng cho công ty).

Tin tức và diễn biến mới nhất về cổ phiếu Honeywell (HON)

Nghiên cứu được tham khảo

<sup>1. Matsos, VG, Valahu, CH, Millican, MJ và cộng sự. Bộ cổng lượng tử phổ quát cho qubit logic Gottesman–Kitaev–Preskill. Thiên nhiên. Vật lý. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-03002-8
2. Cochran, TA, Jobst, B., Rosenberg, E. và cộng sự. Hình dung động lực học của điện tích và dây trong lý thuyết mạng lưới (2 + 1)D. Thiên nhiên 642, 315 lên 320 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08999-9</sup>