Nếu những cỗ máy như vậy được hoàn thiện sẽ tăng tốc độ nghiên cứu thuốc, mã hóa và giải mã, và hỗ trợ AI xử lý dữ liệu số của chúng ta. Máy tính lượng tử dựa trên một nguyên lý chồng chập, ý tưởng về một vật thể có thể tồn tại ở hai trạng thái cùng lúc.
Thiết bị đo đạc trong phòng thí nghiệm (Ảnh: Spencer Lowell)
Các chip máy tính thông thường, như trong điện thoại hoặc siêu máy tính, hoạt động cho các đèn điện tử (transistor) xử lý thông tin dạng nhị phân: trạng thái 0 hoặc 1. Máy tính lượng tử sử dụng qubits, có thể tồn tại đồng thời cả 0 hoặc 1.
Tuy nhiên, qubits không ổn định. Bất cứ một ảnh hưởng nào cũng khiến tính toán sai hỏng. Hai nhà vật lý Robert Schoelkopf và Michel Devoret thuộc Đại học Yale đã đi tiên phong trong việc ổn định chúng. Bằng cách sử dụng vật liệu siêu dẫn, loại vật liệu không có trở kháng tại nhiệt độ thấp, họ tạo ra một không gian mà thuật toán lượng tử có thể hoạt động.
Buồng lạnh (Ảnh: Spencer Lowell)
Qubits hoạt động dựa vào rất nhiều thành phần. Một bức tường tạo bởi máy phát vi sóng sinh ra xung điện từ xuyên qua một mê cung dây cáp và khiến qubits hoạt động. Để tạo ra một môi trường lạnh, các bơm ngoài thổi khí heli-3 vào ống đồng. Khí heli-3 bị nén, hóa lỏng và làm lạnh. Cần một ngày để đạt nhiệt độ 0,01 Kelvin, hoặc âm 273,1 độ C.
Những sinh viên trong phòng thí nghiệm làm việc theo từng nhóm đã mất hai tuần để kết nối các đường dây của bộ phận làm lạnh.
Hệ thống dây cáp (Ảnh: Spencer Lowell)
Tấm wafer dài 2,54cm tạo bởi đá hồng ngọc tổng hợp được phủ bởi một lớp nhôm mỏng 100nm. Ở nhiệt độ rất thấp, hạt ánh sáng chuyển điểm kết nối vào trạng thái chồng chất. Các dải lượn sóng thu thập kết quả của qubit.
Hình ảnh qubit trên tấm wafer (Ảnh: Spencer Lowell)
Cần một nhóm qubit để có thể tính toán các bài toán phức tạp hơn việc tính mặt đồng xu. Có các khối kết nối qubit lại với nhau. Nhóm nghiên cứu tại Yale thiết kế khối này với mục đích đặc biệt. Một số xử lý dữ liệu, một số thu thập, số khác khuếch đại nó. Sử dụng thuần thục các khối này rất quan trọng trong việc xây dựng máy tính lượng tử.
Khối xử lý qubit (Ảnh: Spencer Lowell)
Bên trong buồng lạnh rất yên tĩnh. Bất kỳ nhiễu tĩnh điện nào cũng khiến tính toán sai hỏng. Chiếc van một chiều lọc các nhiễu này, đặc biệt là nhiễu trong phòng thí nghiệm.
Máy đo và quản lý buồng lạnh (Ảnh: Spencer Lowell)
Dĩ nhiên không phải tất cả công việc xảy ra trong buồng lạnh. Một máy phân tích mạng đảm bảo cáp vi sóng hoạt động đúng thiết kế. Một thiết bị khác quản lý bơm lạnh và các loại van.
Chế tạo từng thiết bị (Ảnh: Spencer Lowell)
Các nhà nghiên cứu phải thường xuyên tự thiết kế và chế tạo những thành phần riêng biệt cho thí nghiệm. Đó có thể là kết nối các khối qubits hoặc mạng lưới qubit để tạo ra thành phần mới.
Ngoài ra, trong phòng thí nghiệm còn có các thiết bị cũ khác. Chúng đóng vai trò dự phòng trong trường hợp cần thay thế.
Theo PopularScience