Một nhóm nhà vật lý từ trung tâm nguyên tử Ultracold Harvard và một số trường đại học khác đã phát triển một loại máy tính lượng tử đặc biệt có tên gọi là máy mô phỏng lượng tử có thể lập trình có khả năng hoạt động với 256 bit lượng tử hoặc qubits.

Hệ thống đánh dấu một bước lớn nhằm kiến tạo những chiếc máy lượng tử quy mô lớn có thể sử dụng để làm sáng tỏ một loạt các quy trình lượng tử phức tạp và cuối cùng giúp mang lại đột phá trong thế giới thực trong khoa học vật liệu, công nghệ truyền thông, tài chính và nhiều lĩnh vực khác, vượt qua các rào cản vượt quá khả năng của thậm chí siêu máy tính nhanh nhất hiện nay. Qubit là nên tảng cơ bản để xây dựng các khối mà máy tính lượng tử chạy và nguồn sức mạng xử lý khổng lồ của chúng.

Giáo sư vât lý George Vasmer Leverett, Mikhail Lukin - đồng giám đốc Sáng kiến Lượng tử Harvard cho biết: "Điều này chuyển lĩnh vực này sang một lĩnh vực mới mà chưa một ai từng đặt chân đến". Và một trong những tác giả cao cấp của nghiên cứu được công bố hôm nay trên tạp chí Nature: "Chúng ta đang bước vào một phần hoàn toàn mới của thế giới lượng tử".

Theo Sepehr Ebadi - một sinh viên vật lý ở trường Khoa học và Nghệ thuật Sau đại học và tác giả chính cuả nghiên cứu, chính sự kết hợp giữa kích thước chưa từng có và khả năng lập trình của hệ thống đã đặt nó ở vị trí tiên tiến trong cuộc đua cho máy tính lượng tử, khai thác đặc tính bí ẩn của vật chất ở quy mô cực nhỏ để nâng cao chất lượng xử lý. Trong những trường hợp thích hợp , việc gia tăng qubit có nghĩa là hệ thống có thể lưu trữ và xử lý thông tin theo cấp số nhân nhiều hơn so với các bit cổ điển  mà máy tính tiêu chuẩn chạy.

"Số lượng trạng thái lượng tử có thể chỉ 256 qubit, vượt quá số lượng nguyên tử trong hệ thống năng lượng mặt trời" Abadi giải thích về kích thước khổng lồ của hệ thống.

Hiện tại, trình mô phỏng cho phép những nhầ nghiên cứu quan sát một vài trạng thái lượng tử kỳ lạ của vật chất chưa từng được nhận ra bằng thực nghiệm trước đây và để thực hiện một nghiên cứu chuyển pha lượng tử chính xác đến mức nó phục vụ như một ví dụ sách giáo khoa về cách hoạt động của từ ở cấp độ lượng tử.

Những thực nghiệm này cung cấp những hiểu biết sâu sắc về thuộc tính vật lý cơ bản của vật lý lượng tử và có thể giúp các nhà khoa học biết cách thiết kế một vật liệu mới với đặc tính kỳ lạ.

Dự án sử dụng một phiên bản nâng cấp đáng kể của nền tàng mà các nhà nghiên cứu đã phát triển năm 2017 đã có khả năng đạt kích cỡ 51 qubit. Hệ thống lâu đời hơn đó cho phép các nhà nghiên cứu nằm bắt các nguyên tử rubidi cực lạnh và sắp xếp chúng trong một thứ tự cụ thể bằng cách sử dụng một mảng một chiều gồm các tia laser hội tụ riêng lẻ được gọi là nhíp quang học.

Hệ thống mới này cho phép những nguyên tử  được lắp đặt trong mảng hai chiều của nhíp quang học. Điều này gia tăng kích thước hệ thống có thể đạt được từ 51 đến 256 qubit. Việc sử dụng nhíp, các nhà nghiên cứu có thể sắp xếp các nguyên tử trong các mẫu không có khuyết tật và tạo ra các mạng hình dạng có thể lập trình như hình vuông, hình tổ ong, hoặc hình tam giác để thiết kế các tương tác khác nhau giữa các qubit.

Ebadi cho biết: "Công cụ của nền tảng mới này là một thiết bị điều hướng ánh sáng không gian được sử dụng để định hình một mặt sóng quang học để tạo ra hàng trăm chùm nhíp quang tập trung riêng lẻ. Những thiết bị này về cơ bản giống với những gì được sử dụng bên trong một máy chiếu máy tính để trình diễn hình ảnh lên màn hình, nhưng chúng tôi đã điều chỉnh chúng thành một thành phần quan trọng của mô hình lượng tử của chúng tôi".

Lần tải đầu tiên của các nguyên tử đến các nhíp quang học is ngẫu nhiên và các nhà nghiên cứu phải chuyển các nguyên tử xung quanh để sắp xếp chúng thành dạng hình học mục tiêu. Các nhà nghiên cứu sử dụng các bộ chíp quang học chuyển động thứ hai để kéo các nguyên tử đến vị trí mong muốn của chúng, loại bỏ tính ngẫu nhiên ban đầu. Laser cho phép các nhà nghiên cứu hoàn toàn kiểm soát toàn bộ vị trí của các qubit nguyên tử và thao tác lượng tử nhất quán của chúng.

Các tác giả cao cấp khác của nghiên cứu bao gồm các giáo sư Harvard Subir Sachdev và Markus Greiner đã thực hiện dự án cùng với giáo sư Vladan Vuleti của Viện công nghệ Massachusetts và các nhà khoa học đến từ Stanford, Đại học California Berkeley, Đại học Innsbruck ở Áo, Học viện Khoa học Áo và QuEra Computing Inc. ở Boston.

"Công việc của chúng tôi là một phần của một cuộc chạy đua toàn cầu thực sự khốc liệt và có khả năng hiển thị cao để xây dựng những chiếc máy tính lượng tử lớn và tốt hơn. Nỗ lực chung (ngoài nỗ lực chúng tôi) có sự tham gia của các  tổ chức nghiên cứu hàn lâm hàng đầu và sự đầu tư lớn từ các doanh nghiệp tư nhân như  Google, IBM, Amazon và nhiều công ty khác" ông Tout Wang - một cộng sự nghiên cứu vật lý tại Harvard và là một trong những tác giả của bài báo cho biết.

Gần đây, các nhà nghiên cứu đang làm việc để cải tiến hệ thống bằng việc cải tiến khả năng điều khiển laser trên qubit và làm cho hệ thống có thể lập trình tốt hơn. Họ còn khám phá ra cách hệ thống có thể sử dụng cho một ứng dụng mới, từ sự thăm dò cấu tạo vật chất lượng tử kỳ lạ để giải quyết những vấn đề thách thức của thế giới thực có thể được mã hóa tự nhiên trên qubit.

Ebadi cho rằng: "Công trình này cho phép một số lượng lớn các hướng khoa học mới. Chúng tôi đang ở gần giới hạn của những gì có thể được thực hiện với những hệ thống này".