Tạo liên kết lượng tử ổn định giữa các qubit ở xa mà không cần căn giờ chính xác

Cả hai cách tiếp cận đều sử dụng một "bể chứa lượng tử" (quantum bath) được thiết kế đặc biệt, có nhiệm vụ ổn định sự vướng víu một cách liên tục và thụ động, thay vì dựa vào các thao tác điều khiển chủ động hay các phép đo.

Hai hướng tiếp cận khác nhau

Hướng tiếp cận của UIUC (Nhóm Pfaff)

Nhóm nghiên cứu tại UIUC, dẫn đầu bởi Wolfgang Pfaff, sử dụng một ống dẫn sóng chirp (có hướng) như một kênh tiêu tán chung, kết nối hai qubit siêu dẫn ở xa . Một sóng điều khiển liên tục được truyền qua ống dẫn sóng này. Sự tương tác giữa sóng điều khiển và sự tiêu tán năng lượng vào ống dẫn sóng sẽ tự động ổn định sự vướng víu giữa các qubit ở xa, tạo ra thứ mà nhóm gọi là sơ đồ hấp thụ lượng tử kết hợp (coherent quantum-absorber scheme) .

Trước đó, một công trình lý thuyết từ cùng nhóm (đăng trên Physical Review Research năm 2024) đã chứng minh khả năng chống mất mát của sơ đồ vướng víu từ xa kiểu driven-dissipative này trong hệ thống điện động lực học lượng tử ống dẫn sóng chirp .

Hướng tiếp cận của ISTA (Nhóm Fink)

Nhóm ISTA dẫn đầu bởi Johannes Fink lại đi theo một con đường khác. Họ tạo ra một bể chứa photon vi sóng bị 'bóp' hai mode (two-mode squeezed reservoir), vốn là một trạng thái vướng víu Gaussian (liên tục) của các trường vi sóng lan truyền, được sinh ra bởi một bộ chuyển đổi tham số Josephson (Josephson parametric converter) . Hai qubit transmon siêu dẫn ở xa nhau được ghép nối với bể chứa bị 'bóp' chung này. Kết quả là, các qubit tự động 'thư giãn' và rơi vào một trạng thái vướng víu ổn định .

Kết quả nghiên cứu được công bố ngày 13 tháng 7 năm 2026 trên tạp chí Physical Review X với tiêu đề "Distributing stationary qubit entanglement through a non-local squeezed reservoir" .

Sự khác biệt chính: UIUC dựa vào sự tiêu tán có hướng (chiral) trong một ống dẫn sóng, trong khi ISTA sử dụng một bể chứa bị 'bóp' phi địa phương - một nguồn tạo ra các cặp photon có tương quan nội tại, từ đó truyền sự vướng víu từ chính bể chứa sang các qubit.

Xác nhận một dự đoán lý thuyết lâu đời (ISTA)

Thí nghiệm của ISTA đã xác nhận một lý thuyết được đề xuất cách đây hơn 20 năm - rằng hai qubit ghép nối với một nguồn ánh sáng có tương quan (ánh sáng bị 'bóp') có thể tự động rơi vào trạng thái vướng víu ổn định chỉ thông qua tương tác với bể chứa đó, mà không cần bất kỳ sự điều khiển hay đo lường chủ động nào . Trước đây, các nhà lý thuyết chỉ mới đề xuất nó trong những điều kiện lý tưởng; nhóm ISTA là những người đầu tiên thực hiện thành công trong phòng thí nghiệm .

Tỷ lệ vướng víu được chuyển giao

Nhóm ISTA báo cáo rằng phương pháp của họ hiện tại chuyển được khoảng 10% lượng vướng víu có sẵn từ bể chứa sang các qubit . Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng đây mới chỉ là một nguyên mẫu thử nghiệm (proof-of-concept). Các phương pháp khác dựa trên điều khiển chủ động vẫn hiệu quả hơn ở thời điểm hiện tại, nhưng bản chất tự động của sơ đồ này mang lại những lợi thế về mặt khái niệm cho việc mở rộng quy mô hệ thống sau này .

Ý nghĩa cho máy tính lượng tử mô-đun và đồng bộ hóa nhiều qubit ở xa

Kết quả từ cả hai nhóm đều mở ra những ứng dụng thực tế, đặc biệt là trong lĩnh vực điện toán lượng tử:

• Máy tính lượng tử mô-đun: Cả hai phương pháp đều cung cấp một cách để phân phối sự vướng víu giữa các mô-đun lượng tử riêng biệt mà không cần đến các xung điều khiển được căn giờ chính xác hay các phép đo lặp đi lặp lại. Đây là yêu cầu then chốt để mở rộng bộ xử lý lượng tử ra ngoài phạm vi một chip đơn lẻ .

• Đồng bộ hóa nhiều qubit ở xa: Nhóm ISTA ghi nhận rõ ràng phương pháp của họ "tương đối đơn giản và có thể được mở rộng để đồng bộ hóa nhiều qubit ở xa" . Vì bể chứa vướng víu luôn sẵn sàng, các qubit có thể được tạo vướng víu bất cứ lúc nào, thay vì chỉ khi một sự trùng hợp ngẫu nhiên xảy ra .

• Khả năng chịu lỗi (Fault tolerance): Việc ổn định vướng víu liên tục có nghĩa là trạng thái vướng víu có thể tồn tại lâu hơn thời gian kết hợp tự nhiên của các qubit, trở thành một tài nguyên 'luôn sẵn sàng' cho các quá trình xử lý lượng tử hoặc sửa lỗi tiếp theo .

• Nền tảng cho mạng lượng tử: Cả hai cách tiếp cận đều có thể được triển khai với các qubit siêu dẫn và photon vi sóng, tương thích với phần cứng máy tính lượng tử hiện có. Các giao diện photon quang học có thể liên kết các mô-đun như vậy qua sợi quang trong tương lai .

Mặc dù hiệu suất trước mắt còn khiêm tốn - thí nghiệm ISTA chỉ chuyển được 10% lượng vướng víu của bể chứa - nhưng bản chất tự động, ổn định của sơ đồ này được xem là một bước đột phá về mặt khái niệm. Nếu hiệu suất có thể được cải thiện, những phương pháp này có thể trở thành nền tảng cho các máy tính lượng tử phân tán và mạng lượng tử, nơi không còn cần đến sự căn giờ chính xác để hoạt động.