Các nhà nghiên cứu tại Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), UC Berkeley, UC Riverside và UC Santa Barbara lần đầu tiên thu nhỏ bẫy ion tứ cực bằng công nghệ in 3D — một đột phá trong một trong những hướng tiếp cận hứa hẹn nhất để xây dựng máy tính lượng tử quy mô lớn.

Bẫy ion tứ cực có bốn cực điện cực tạo ra thế điện dao động, “ghi” các ion bằng cách lấn át dao động tự nhiên của chúng, tương tự việc nâng/hạ hai đầu tấm dù trong sân chơi để giữ quả bóng trên bề mặt. Các bẫy này giữ ion bị giam trong nhiều giờ trước khi chúng thoát ra, và nếu các ion được làm lạnh về trạng thái cơ bản (mức năng lượng thấp nhất có thể), chúng có thể hoạt động như các bit lượng tử (qubit) — đơn vị thông tin cơ bản nhất trong máy tính lượng tử.

Được chế tạo bằng in 3D trùng hợp hai photon (two-photon polymerization, 2PP) độ phân giải siêu cao, các bẫy ion cỡ milimet có thể giam giữ ion canxi với tần số, tỷ lệ lỗi và độ kết hợp (coherence) cạnh tranh với mức tiên tiến nhất hiện nay, và có thể dùng để thực hiện các phép toán một qubit và hai qubit. Kết quả của nhóm đã được công bố trên Nature.

“Đây là kiểu thay đổi công nghệ sẽ đưa bẫy ion từ chỗ chỉ hoạt động tốt với vài ion sang làm được điều mà chúng ta có thể gọi là tính toán và, hy vọng, là thứ chúng ta có thể bắt đầu dùng như một máy tính,” đồng tác giả Kristi Beck, nhà vật lý LLNL kiêm giám đốc Trung Tâm Khoa Học Lượng Tử Livermore, cho biết.

Hình Dạng Và Kích Thước Mới

Các qubit cần duy trì trạng thái lượng tử (coherent) càng lâu càng tốt và hoạt động ổn định nhất có thể để các nhà nghiên cứu mã hóa dữ liệu và thực hiện phép toán hiệu quả. Ion bị bẫy có thời gian kết hợp dài hơn nhiều và hoạt động ở nhiệt độ cao hơn so với các cách tiếp cận khác — chỉ cần laser để làm lạnh ion về trạng thái cơ bản thay vì cần làm lạnh cryogenic (siêu lạnh).

Tuy nhiên, tồn tại đánh đổi giữa hiệu năng và khả năng mở rộng. Trong công nghiệp, các nhà nghiên cứu thường dùng bẫy ion “phẳng” với điện cực bề mặt — có thể mở rộng tốt như các khối xây dựng của hệ xử lý thông tin quy mô lớn — nhưng các thiết kế 3D truyền thống lại cho hiệu năng tốt hơn. Nhóm thấy giải pháp tiềm năng cho bài toán này ở công nghệ in 3D.

“In 3D cho chúng tôi độ giam giữ cần thiết để bẫy ion tốt và ở tần số cao, đồng thời có thể tạo ra nhiều bẫy ion trên cùng một chip,” kỹ sư thuộc Division Kỹ Thuật Vật Liệu (MED) và đồng tác giả thứ nhất Xiaoxing Xia nói. “Điều này tương tự giai đoạn mọi người làm việc với các transistor cồng kềnh, đơn lẻ trước khi mạch tích hợp ra đời. In 3D cho phép chúng ta vượt ra các bẫy truyền thống sang những hệ tích hợp cao hơn giống các bộ xử lý hiện nay.”

Các bẫy được in có thể giam ion canxi ở tần số cao hơn nhiều so với cả bẫy 3D thông thường lẫn bẫy phẳng, tạo ra các thế điều hòa sâu giữa các điện cực giúp ổn định hệ và cải thiện độ kết hợp. Các bẫy chứng minh độ ổn định bằng cách giam hai ion canxi hoán đổi vị trí vài phút một lần — mức cạnh tranh với chuẩn mực hiện tại.

Nhóm cũng triển khai một cổng vướng víu hai qubit với độ trung thực 98%, thực hiện các phép quay một qubit và đo tốc độ gia nhiệt dao động, một nguồn lỗi chính của các cổng lượng tử với ion bị bẫy.

“Tôi rất hào hứng với tiềm năng mở ra chỉ từ nguyên mẫu chứng minh của chúng tôi,” kỹ sư MED và đồng tác giả Abhinav Parakh nói. “Để khai thác được sức mạnh tính toán theo cấp số mũ [từ điện toán lượng tử], chúng ta cần nhiều ion vướng víu với nhau, đưa chúng lại gần, thực hiện tính toán, rồi tách chúng ra — điều có thể làm hiệu quả bằng các cấu trúc in 3D.”

Nhóm có thể in đáng tin cậy một bẫy ion thu nhỏ trong 14 giờ từ đầu, hoặc trong 30 phút nếu chỉ in các điện cực trên đế sẵn có. Khả năng tạo mẫu nhanh và linh hoạt in theo hầu như mọi cấu hình cũng cho họ cơ hội thử nghiệm các thiết kế mới, chẳng hạn một bẫy phẳng dựa trên thiết kế 3D kinh điển mà nhóm đã phát triển, in, thu nhỏ và dùng để bẫy ion ở cả nhiệt độ cryogenic và nhiệt độ phòng.

“Chúng tôi đã mở rộng mạnh mẽ dải hình học bẫy có thể đạt được và tăng độ phức tạp,” giáo sư vật lý lượng tử UC Berkeley và đồng tác giả Hartmut Haeffner nói. “Với không gian thiết kế tăng lên này, giờ đây chúng tôi có thể suy nghĩ rất khác về cách tối ưu và thu nhỏ bẫy ion.”

Khi thiết kế tiến hóa, nhóm hướng tới tích hợp quang tử và điện tử trên cùng một chip để làm cho toàn hệ thống hiệu quả và gọn gàng hơn. Beck cũng muốn khám phá cách làm cho máy tính lượng tử đáng tin cậy hơn và dễ điều khiển hơn. Nguồn lỗi lớn nhất là nhiễu — các tương tác không kiểm soát với môi trường khiến hệ lượng tử hoạt động không ổn định — và bề mặt bẫy ion hiện là nguồn nhiễu lớn.

“Nếu chúng ta có thể loại bớt vật liệu ở gần ion, sẽ ít chỗ hơn để nhiễu xâm nhập vào hệ, nên chúng tôi kỳ vọng thấy hiệu năng tốt hơn,” bà nói.

Chất Xúc Tác Tiềm Năng

Nhóm hy vọng cách tiếp cận đổi mới của họ sẽ đưa LLNL trở thành điểm đến cho phát triển phần cứng máy tính lượng tử dựa trên bẫy ion, đồng thời đóng vai trò chất xúc tác cho các hợp tác tương lai nhằm biến ý tưởng thành sản phẩm thương mại.

Các bẫy ion thu nhỏ cũng có thể dùng cho cảm biến và đồng hồ nguyên tử siêu chính xác, và nếu hệ làm lạnh bằng laser được mở rộng và tích hợp trên chip thành công, chúng có thể là nền tảng cho các máy quang phổ khối gọn nhẹ, tiêu thụ điện năng thấp phục vụ đo lường chính xác. Xia cũng xem đây là cơ hội để cho thấy in 3D độ phân giải cao có thể làm gì cho lĩnh vực này.

“Điện toán lượng tử là đối tượng chấp nhận sớm lý tưởng cho in 3D vì họ cần độ phân giải rất cao, chi tiết tinh vi và hình học 3D phức tạp mà không kỹ thuật chế tạo nào khác cung cấp được,” Xia nói.