Cuộc đua phát triển máy tính lượng tử đang chuyển từ việc tăng số lượng qubit sang một thách thức khó hơn. Đó là làm thế nào để hệ thống điều khiển, hiệu chuẩn, đọc dữ liệu và sửa lỗi có thể mở rộng tương ứng khi máy tính tiến tới quy mô hàng trăm nghìn, thậm chí hàng triệu qubit.
Đây là nhận định của Tiến sỹ Guy Raz, đồng sáng lập kiêm Giám đốc điều hành và Giám đốc công nghệ của công ty lượng tử Israel Q-Factor. Theo ông Raz, một kiến trúc máy tính lượng tử có thể hoạt động tốt ở quy mô nhỏ nhưng vẫn trở thành “ngõ cụt” nếu độ phức tạp và chi phí vận hành tăng quá nhanh khi số lượng qubit được mở rộng.
Một hệ thống điều khiển hiệu quả với 1.000 qubit có thể trở nên không thực tế ở quy mô 100.000 qubit. Tương tự, hệ thống đọc trạng thái qubit có thể duy trì độ chính xác nhưng mất quá nhiều thời gian, trong khi sửa lỗi lượng tử có thể giảm nhiễu nhưng lại đòi hỏi số lượng qubit vật lý và phép toán quá lớn. Ngay cả phương án ghép nhiều bộ xử lý lượng tử nhỏ thành một hệ thống lớn cũng chỉ hiệu quả nếu các kết nối giữa chúng không trở thành điểm nghẽn mới.
Trong bối cảnh đó, Q-Factor đang tập trung vào công nghệ nguyên tử trung hòa (neutral atoms). Khác với một số nền tảng lượng tử khác, các nguyên tử về bản chất giống hệt nhau, có thể được giữ và di chuyển bằng ánh sáng, đồng thời sắp xếp theo nhiều cấu hình để các qubit tương tác với nhau. Cách tiếp cận này có khả năng tạo ra những mảng qubit lớn mà không cần xây dựng một hệ thống dây dẫn phức tạp riêng cho từng qubit.
Những năm gần đây, công nghệ nguyên tử trung hòa đã đạt một số bước tiến đáng chú ý. Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ California (Caltech) đã xây dựng một mảng gồm 6.100 qubit nguyên tử trung hòa với thời gian duy trì trạng thái lượng tử ở mức kỷ lục. Trong khi đó, một nhóm nghiên cứu do Đại học Harvard dẫn đầu sử dụng các mảng có thể tái cấu hình với tối đa 448 qubit để trình diễn việc sửa lỗi lượng tử lặp lại và thực hiện các phép toán trên qubit logic.
Tuy nhiên, việc kết hợp các thành tựu này vào một máy tính duy nhất có quy mô lớn hơn nhiều vẫn là thách thức. Q-Factor, với nền tảng nghiên cứu từ Viện Khoa học Weizmann và Viện Công nghệ Technion của Israel, đang phát triển một kiến trúc khác với thiết kế kiểu kính hiển vi thường được sử dụng trong các hệ thống nguyên tử trung hòa hiện nay. Mục tiêu là xây dựng một lõi nguyên tử lớn ngay từ đầu, cho phép một máy tính duy nhất có thể mở rộng xa hơn mà không phải chia thành nhiều lõi hoặc môđun riêng biệt.
Một trong những vấn đề kỹ thuật là các phép toán hai qubit có thể dần làm nóng nguyên tử khi các bẫy giữ nguyên tử liên tục được tắt và bật trở lại, qua đó giới hạn số lượng phép toán mà hệ thống có thể thực hiện liên tiếp. Q-Factor cho biết đã phát triển một phương pháp tái hội tụ sử dụng chính các cơ chế điều khiển bẫy hiện có để đảo ngược chuyển động gây nóng, qua đó không cần bổ sung phần cứng mới.
Việc đo trạng thái qubit cũng đặt ra bài toán tương tự. Khi số lượng qubit tăng mạnh, quá trình đo và phản hồi phải duy trì đủ nhanh và chính xác. Các nhà nghiên cứu của Q-Factor và đối tác đang đề xuất sử dụng các nguyên tử phụ trợ để khuếch đại tín hiệu đọc trạng thái trong hệ thống nguyên tử trung hòa.
Theo Tiến sỹ Raz, thách thức cốt lõi của giai đoạn phát triển tiếp theo không đơn thuần là đạt mốc một triệu qubit. Một máy tính lượng tử chỉ có ý nghĩa thực tế nếu toàn bộ hệ thống xung quanh các qubit, từ điều khiển, đo lường đến sửa lỗi, cũng có thể mở rộng tương ứng mà không khiến độ phức tạp và nhu cầu tài nguyên tăng đến mức không thể vận hành./.