Bước tới nội dung

Điện toán lượng tử siêu dẫn

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Một nhóm phòng thí nghiệm lắp ráp một bộ phận siêu lạnh của máy tính lượng tử siêu dẫn. Điều này cung cấp khả năng làm mát cần thiết cho các bộ xử lý siêu dẫn xuống gần độ không tuyệt đối (-273,1°C).
Sản phẩm của điện toán lượng tử siêu dẫn
Sản phẩm điện toán lượng tử siêu dẫn

Điện toán lượng tử siêu dẫn (Superconducting quantum computing) là một nhánh của điện toán lượng tử và vật lý chất rắn thực thi các mạch điện tử siêu dẫn làm qubit trong một bộ xử lý lượng tử. Các thiết bị này thường là các mạch điện tử tần số vi sóng chứa các mối nối Josephson, được chế tạo trên các chip chất rắn. Các mạch siêu dẫn là một trong nhiều khả năng hiện thực hóa vật lý của qubit, tương đương với bit truyền thống trong một máy tính cổ điển.[1] Qubit đề cập đến hệ thống cơ học lượng tử hai trạng thái và có hai trạng thái logic: trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích[2] Các phương pháp thực thi điện toán lượng tử siêu dẫn được phân loại là máy tính lượng tử "chất rắn", trong đó các qubit được tích hợp nội tại trong một thiết bị chất rắn. Máy tính lượng tử chất rắn cũng kế thừa các kỹ thuật chế tạo được phát triển cho điện toán cổ điển dạng chất rắn.[3] Kiến trúc siêu dẫn là phương pháp chủ đạo trong ngành công nghiệp để phát triển các đơn vị xử lý lượng tử, hay QPU. Nghiên cứu về điện toán lượng tử siêu dẫn được thực hiện bởi các công ty như Google,[4] IBM,[5] IMEC,[6] BBN Technologies,[7] Rigetti,[8] và Intel.[9] Các giải pháp thay thế cho qubit siêu dẫn bao gồm ion bẫy và nguyên tử trung tính. Nghiên cứu đang diễn ra trong lĩnh vực điện toán lượng tử siêu dẫn bao gồm cải tiến ở cấp độ thiết bị, phát triển các phương pháp sửa lỗi và chứng minh ưu thế lượng tử bằng cách so sánh hiệu suất của bộ xử lý lượng tử với máy tính cổ điển.

Lịch sử

[sửa | sửa mã nguồn]

Máy tính lượng tử lần đầu tiên được đề xuất bởi Richard Feynman, người vào năm 1982 đã đề xuất sử dụng một máy tính như vậy để mô phỏng và hiểu rõ các thuộc tính của các hệ thống lượng tử khác. Vào những năm 1990, hai thuật toán lượng tử đã được công bố, điều này càng làm gia tăng sự quan tâm đến việc hiện thực hóa máy tính lượng tử. Peter Shor đã đề xuất thuật toán Shor, một thuật toán lượng tử dùng để tìm các thừa số nguyên tố của một số nguyên, về lý thuyết có thể phá vỡ mã hóa RSA. Tương tự, Lov Grover đã đề xuất thuật toán tìm kiếm Grover, cung cấp một giải pháp thay thế cho tìm kiếm nhị phân có thể thực hiện với tốc độ tăng trưởng bậc hai. Vào thời điểm đó, các mạch lượng tử siêu dẫn đã được sử dụng để xây dựng các thiết bị SQUID cực kỳ nhạy cảm và cũng từng được dùng để chứng minh hiện tượng lượng tử vĩ mô, chẳng hạn như các mức năng lượng được lượng tử hóa. Người ta nhận thấy rõ rằng các qubit siêu dẫn này có thể được sử dụng để đạt được tính toán lượng tử.[10]

Điều này đặc biệt đúng bởi vì các phương pháp tiếp cận "chất rắn" như vậy đối với điện toán lượng tử được coi là khả thi hơn rất nhiều so với các phương pháp khác vào thời điểm đó, bao gồm điện toán lượng tử NMR (cộng hưởng từ hạt nhân), một phần nhờ thực tế là các kỹ thuật chế tạo hiện có sẽ có thể áp dụng được.[11] Năm 1999, một bài báo[12] đã được công bố bởi Yasunobu Nakamura, chứng minh qubit siêu dẫn đầu tiên. Đó là một dạng hộp cặp Cooper (Cooper pair box), nay được gọi là "qubit điện tích" (charge qubit). Mặc dù thiết kế này đã được đề xuất vào năm 1997 bởi nhóm Saclay (bao gồm cả Devoret), bài báo này là tài liệu đầu tiên cho thấy sự điều khiển và đọc dữ liệu mạch lạc (coherent control and readout), dưới dạng dao động Rabi giữa trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích của qubit. Tuy nhiên, ngay cả sau kết quả đầu tiên này, vẫn chưa rõ liệu các qubit siêu dẫn có khả thi hay không, và một số người lập luận rằng hệ thống không thực sự có khả năng chứa thông tin lượng tử.[13] Một phần của vấn đề là thiết kế ban đầu này duy trì tính mạch lạc (coherence) trong thời gian chưa đầy một nano giây, không đủ lâu để thực hiện bất kỳ phép tính nào.

Trong những năm tiếp theo, một số qubit siêu dẫn khác đã được phát minh, bao gồm qubit pha (phase qubit), qubit thông lượng (flux qubit), quatronium, qubit transmon và fluxonium. Những tiến bộ liên tục trong thiết kế qubit, khoa học vật liệu và kỹ thuật chế tạo đã cải thiện tính mạch lạc lên khoảng 5 bậc độ lớn trong suốt hai thập kỷ.[14] Thiết kế transmon, được giới thiệu vào năm 2007, đã làm giảm độ nhạy cảm với nhiễu điện tích và kể từ đó đã trở thành kiến trúc chủ đạo trong các bộ xử lý điện toán lượng tử siêu dẫn được triển khai bởi IBM, Google và những đơn vị khác.[10] Đến năm 2025, những tiến bộ trong khâu đọc dữ liệu và thiết kế đã cho phép các qubit transmon siêu dẫn đạt đến thời gian mạch lạc cỡ mili-giây.[15] Google vào năm 2016 đã triển khai 16 qubit để thực hiện việc mô phỏng mô hình Fermi-Hubbard. Trong một thí nghiệm khác, Google đã sử dụng 17 qubit để tối ưu hóa mô hình Sherrington-Kirkpatrick. Năm 2019, Google đã chế tạo máy tính lượng tử Sycamore, thực hiện một tác vụ trong 200 giây mà Google tuyên bố sẽ mất 10.000 năm trên một máy tính cổ điển.[16] Tác vụ đó là lấy mẫu mạch ngẫu nhiên (random circuit sampling), một tiêu chuẩn benchmark phổ biến cho các tuyên bố về "ưu thế lượng tử" hoặc lợi thế lượng tử. Tính đến năm 2025, các bộ xử lý lượng tử siêu dẫn đã vượt mốc 1.000 qubit, trong đó lớn nhất là IBM Condor, một bộ xử lý lượng tử 1.121 qubit.[17] Vào năm 2025, Google đã công bố một trong những lợi thế lượng tử đầu tiên có thể xác minh độc lập trên phần cứng sử dụng bộ xử lý Willow.[18]

Chú thích

[sửa | sửa mã nguồn]
  1. ↑ "What is a qubit? | IBM". www.ibm.com (bằng tiếng Anh). ngày 28 tháng 2 năm 2024. Truy cập ngày 5 tháng 1 năm 2026.
  2. ↑ "PennyLane Documentation". docs.pennylane.ai. Truy cập ngày 11 tháng 12 năm 2022.
  3. ↑ "How The First Superconducting Qubit Changed Quantum Computing Forever". Qiskit (bằng tiếng Anh). ngày 28 tháng 9 năm 2022. Truy cập ngày 15 tháng 2 năm 2026.
  4. ↑ Castelvecchi, Davide (ngày 5 tháng 1 năm 2017). "Quantum computers ready to leap out of the lab in 2017". Nature. 541 (7635): 9–10. Bibcode:2017Natur.541....9C. doi:10.1038/541009a. PMID 28054624. S2CID 4447373.
  5. ↑ "IBM Makes Quantum Computing Available on IBM Cloud". www-03.ibm.com. ngày 4 tháng 5 năm 2016. Bản gốc lưu trữ ngày 4 tháng 5 năm 2016.
  6. ↑ "Imec enters the race to unleash quantum computing with silicon qubits". www.imec-int.com (bằng tiếng Anh). Truy cập ngày 10 tháng 11 năm 2019.
  7. ↑ Ryan, Colm A.; Johnson, Blake R.; Ristè, Diego; Donovan, Brian; Ohki, Thomas A. (2017). "Hardware for dynamic quantum computing". Review of Scientific Instruments. 88 (10) 104703. arXiv:1704.08314. Bibcode:2017RScI...88j4703R. doi:10.1063/1.5006525. PMID 29092485.
  8. ↑ "Rigetti Launches Quantum Cloud Services, Announces $1Million Challenge". HPCwire (bằng tiếng Anh). ngày 7 tháng 9 năm 2018. Truy cập ngày 16 tháng 9 năm 2018.
  9. ↑ "Intel Invests US$50 Million to Advance Quantum Computing | Intel Newsroom". Intel Newsroom.
  10. 1 2 "How The First Superconducting Qubit Changed Quantum Computing Forever". Qiskit (bằng tiếng Anh). ngày 28 tháng 9 năm 2022. Truy cập ngày 13 tháng 12 năm 2022.
  11. ↑ Jones, Jonathan A. (ngày 1 tháng 1 năm 2001). "Quantum computing and nuclear magnetic resonance". PhysChemComm (bằng tiếng Anh). 4 (11): 49–56. arXiv:quant-ph/0106067. doi:10.1039/B103231N. ISSN 1460-2733.
  12. ↑ Nakamura, Y.; Pashkin, Yu A.; Tsai, J. S. (tháng 4 năm 1999). "Coherent control of macroscopic quantum states in a single-Cooper-pair box". Nature. 398 (6730): 786–788. arXiv:cond-mat/9904003. Bibcode:1999Natur.398..786N. doi:10.1038/19718. ISSN 0028-0836. S2CID 4392755.
  13. ↑ Alicki, Robert (ngày 29 tháng 6 năm 2006). "False qubits?: Polarization of light and Josephson junction". arXiv:quant-ph/0606242.
  14. ↑ Kjaergaard, M.; và đồng nghiệp (2020). "Superconducting Qubits: Current State of Play". Annual Review of Condensed Matter Physics. 11: 369–395. arXiv:1905.13641. doi:10.1146/annurev-conmatphys-031119-050605.
  15. ↑ Bland, Matthew P.; Bahrami, Faranak; Martinez, Jeronimo G. C.; Prestegaard, Paal H.; Smitham, Basil M.; Joshi, Atharv; Hedrick, Elizabeth; Kumar, Shashwat; Yang, Ambrose; Pakpour-Tabrizi, Alexander C.; Jindal, Apoorv; Chang, Ray D.; Cheng, Guangming; Yao, Nan; Cava, Robert J. (tháng 11 năm 2025). "Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits". Nature (bằng tiếng Anh). 647 (8089): 343–348. Bibcode:2025Natur.647..343B. doi:10.1038/s41586-025-09687-4. ISSN 1476-4687. PMID 41193811.
  16. ↑ "Our quantum computing journey". Google Quantum AI (bằng tiếng Anh). Truy cập ngày 13 tháng 12 năm 2022.
  17. ↑ "IBM Quantum System Two: the era of quantum utility is here | IBM Quantum Computing Blog". www.ibm.com (bằng tiếng Anh). Truy cập ngày 5 tháng 1 năm 2026.
  18. ↑ "Google's Willow Quantum Chip Crushes 3 Years of Supercomputer Work in 2 Hours: Bitcoin Encryption at Risk?". CCN.com (bằng tiếng Anh). ngày 23 tháng 10 năm 2025. Truy cập ngày 5 tháng 1 năm 2026.

Tham khảo

[sửa | sửa mã nguồn]
  • Stancil, Daniel D.; Byrd, Gregory T. (2022). Principles of Superconducting Quantum Computers (ấn bản thứ 1). Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons. ISBN 978-1-119-75072-7. OCLC 1302334194. 978-1-119-75074-1 (ebook).
  • Salari, Alan (2024). Microwave Techniques in Superconducting Quantum Computers (Unabridged edition). Boston, Massachusetts: Artech House. ISBN 978-1-63081-987-3. OCLC 1405187817. 978-1-63081-988-0 (ebook).
  • Krylov, Gleb; Jabbari, Tahereh; Friedman, Eby G. (2024). Single Flux Quantum Integrated Circuit Design (Second Edition). Cham: Springer. doi:10.1007/978-3-031-47475-0. ISBN 978-3-031-47474-3. OCLC 1430662174.
  • Absar, Rubaya; Elgabra, Hazem; Ma, Dylan; Zhao, Yiju; Wei, Lan (2024). "Cryogenic CMOS for Quantum Computing". Trong Liu, Weiqiang; Han, Jie; Lombardi, Fabrizio (biên tập). Design and Applications of Emerging Computer Systems (ấn bản thứ 1). Cham: Springer. tr. 591–621. doi:10.1007/978-3-031-42478-6_22. ISBN 978-3-031-42478-6. OCLC 1418721165.
  • Awan, Shakil; Kibble, Bryan P.; Schurr, Jürgen (2011). Coaxial Electrical Circuits for Interference-Free Measurements. Electrical Measurement Series 13. Stevenage: The Institution of Engineering and Technology (IET). doi:10.1049/PBEL013E. ISBN 978-1-84919-069-5. OCLC 761013886.
  • Jordan, Andrew N.; Siddiqi, Irfan A. (2024). Quantum Measurement: Theory and Practice (ấn bản thứ 1). Cambridge University Press. ISBN 978-1-009-10006-9. OCLC 1435711501.
  • Zagoskin, Alexandre M. (2026). Quantum Engineering: Theory and Design of Quantum Coherent Structures (ấn bản thứ 2). Cambridge University Press. ISBN 978-1-009-46358-4. OCLC 1554714373.
  • Van Duzer, Theodore; Turner, Charles W. (1999). Principles of Superconductive Devices and Circuits (ấn bản thứ 2). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-262742-9. OCLC 40251418.
  • Solymar, Lazlo (1972). Superconductive Tunnelling and Applications. London, England: Chapman and Hall. ISBN 0-412-10210-2. OCLC 488903.

Liên kết ngoài

[sửa | sửa mã nguồn]
Lấy từ “https://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Điện_toán_lượng_tử_siêu_dẫn&oldid=75584636”