Bước đột phá từ ETH Zurich: Chip máy tính lượng tử lưu trữ dữ liệu bằng rung động siêu nhỏ

Transmon thực hiện các cổng (gate) trên trạng thái cơ học bằng cách sử dụng các thao tác iSWAP và tương tác Jaynes-Cummings, với cường độ kết nối đo được là g/2π = 296 kHz . Một cải tiến chính là giao thức mới cho các cổng hai qubit pha tùy ý có kiểm soát (Cϕ) nhanh, đạt được thông qua các tương tách cộng hưởng của qubit-bộ cộng hưởng. Các tác giả tin rằng giao thức này có thể chuyển giao cho các nền tảng vật lý khác .

Trình diễn: Chạy các thuật toán lượng tử thực tế

Nhóm nghiên cứu đã trình diễn một bộ cổng vạn năng—bao gồm các cổng một qubit và các cổng pha tùy ý có kiểm soát—và sử dụng nó để thực thi hai thuật toán chuẩn :

• Biến đổi Fourier Lượng tử (QFT): Một bài kiểm tra lý tưởng cho kiến trúc này vì QFT đòi hỏi các cổng pha tùy ý có kiểm soát và kết nối qubit đầy đủ. Thời gian kết hợp dài của các chế độ phonon HBAR đặc biệt có lợi trong các giai đoạn chờ của thuật toán .
• Tìm kiếm chu kỳ Lượng tử (QPF): Một chương trình con cốt lõi của thuật toán Shor dùng để phân tích số nguyên, cũng đã được chạy thành công trên hệ thống .

Độ chính xác của các cổng (gate fidelities) phù hợp với các mô phỏng tính đến lỗi chuẩn bị và đo lường trạng thái cũng như độ trung thực của iSWAP .

Tầm quan trọng: Tại sao bộ nhớ cơ học lại quan trọng?

Công trình này là minh chứng đầu tiên cho một kiến trúc máy tính lượng tử đa năng, có thể lập trình sử dụng bộ cộng hưởng cơ học . Tầm quan trọng của nó đến từ những lợi thế chính so với bộ nhớ điện từ thông thường:

• Tính nhỏ gọn và mật độ lưu trữ: Bộ nhớ lượng tử điện từ—bộ cộng hưởng ống dẫn sóng đồng phẳng, khoang 3D—thì cồng kềnh và cung cấp khả năng truy cập chế độ hạn chế. Một chip HBAR duy nhất có thể chứa một số lượng lớn các chế độ sóng hài có tính kết hợp cao trong một diện tích nhỏ hơn nhiều .
• Tính ổn định và kết hợp: Các chế độ cơ học (phonon) có thời gian kết hợp nội tại dài, khiến chúng rất phù hợp để lưu trữ thông tin lượng tử tạm thời .
• Con đường dẫn đến RAM lượng tử: Các tác giả tuyên bố rõ ràng rằng những kết quả này "mở đường cho việc sử dụng các hệ thống cơ học để xây dựng các thành phần quan trọng cho các công nghệ lượng tử trong tương lai, chẳng hạn như bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên lượng tử" .

Những hạn chế hiện tại

Màn trình diễn hiện đang bị giới hạn về kích thước bộ xử lý bởi số lượng chế độ phonon có thể tương tác với một qubit transmon duy nhất. Nhóm nghiên cứu ETH Zurich đang tích cực làm việc để cải thiện thời gian kết hợp, khám phá các thiết kế kiến trúc lai khác nhau và tăng tốc độ đọc trạng thái transmon .

Điểm mấu chốt: Con chip của ETH Zurich chứng minh rằng một hệ thống lai sử dụng qubit siêu dẫn với bộ nhớ cơ học (phonon) có thể chạy các thuật toán lượng tử thực tế. Nó xác lập các bộ cộng hưởng cơ học như một con đường khả thi để tạo ra các bộ nhớ lượng tử nhỏ gọn, có độ kết hợp cao, vượt qua các giới hạn về không gian và kết nối của các đối tác điện từ của chúng.