Khám phá Google Quantum AI Lab: Khám phá cơ học của điện toán lượng tử

Hôm nay, đội ngũ Quantum AI của Google đã giới thiệu Willow, một con chip tính toán lượng tử đột phá, không chỉ sửa lỗi với tốc độ chưa từng có mà còn thực hiện một số phép tính nhanh hơn các siêu máy tính truyền thống. Đây là một khoảnh khắc then chốt trong hành trình của chúng tôi nhằm phát triển một máy tính lượng tử đáng tin cậy, sẽ đẩy lùi các giới hạn của tri thức nhân loại vì lợi ích lớn hơn. Tính toán lượng tử đại diện cho một bước nhảy vọt mang tính cách mạng, khai thác các nguyên lý của cơ học lượng tử—ngôn ngữ thực sự của vũ trụ—để vượt qua những hạn chế của tính toán cổ điển.

Hãy cùng chúng tôi bước vào hành trình khám phá phòng thí nghiệm Quantum AI của Google, nơi chúng tôi sẽ tìm hiểu cách hoạt động của tính toán lượng tử và đi sâu vào sáu khái niệm lượng tử thiết yếu.

Tính toán lượng tử: Tại sao mọi thứ khác là "Tính toán cổ điển"

Tính toán lượng tử mang đến một mô hình mới trong tính toán. Hầu hết chúng ta đã quen với tính toán cổ điển, dựa trên các chữ số nhị phân, hay "bit", tồn tại dưới dạng 1 hoặc 0. Những bit này là nền tảng của mọi thứ, từ máy tính cầm tay đơn giản đến các trung tâm dữ liệu khổng lồ, thúc đẩy cuộc cách mạng số trong 50 năm qua. Ngược lại, tính toán lượng tử sử dụng các bit lượng tử, hay "qubit", hoạt động theo một bộ quy tắc hoàn toàn khác.

Qubit: Những khối xây dựng của tính toán lượng tử

Qubit hoạt động trong lĩnh vực vật lý lượng tử, nơi chúng không bị giới hạn chỉ là 1 hoặc 0. Thay vào đó, chúng có thể tồn tại trong trạng thái chồng chất của cả hai trạng thái cùng một lúc. Khả năng đại diện cho nhiều trạng thái đồng thời, kết hợp với sự rối lượng tử—nơi các qubit có thể được liên kết để tạo ra các kết hợp phức tạp—mang lại cho máy tính lượng tử sức mạnh tính toán to lớn. Ví dụ, hai qubit rối có thể đại diện cho 00, 01, 10 và 11 cùng một lúc. Khả năng độc đáo này cho phép máy tính lượng tử giải quyết một số vấn đề khó khăn nhất hiệu quả hơn nhiều so với các máy tính cổ điển.

Chế tạo: Cách đội ngũ Quantum AI chế tác chip Qubit

Không giống như ngành công nghiệp chế tạo chip tính toán cổ điển đã phát triển hoàn thiện, tính toán lượng tử vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Tại Google, chúng tôi tự chế tạo qubit trong nhà bằng các mạch tích hợp siêu dẫn. Bằng cách tạo mẫu sáng tạo các kim loại siêu dẫn, chúng tôi tạo ra các mạch có điện dung và điện cảm, tích hợp các thành phần phi tuyến đặc biệt được gọi là nút Josephson. Thông qua việc lựa chọn vật liệu cẩn thận và tinh chỉnh các quy trình chế tạo, chúng tôi sản xuất các qubit chất lượng cao có thể được kiểm soát và tích hợp vào các thiết bị phức tạp.

Nhiễu: Xây dựng vỏ bọc để bảo vệ máy tính lượng tử khỏi nhiễu loạn

Máy tính lượng tử cực kỳ nhạy cảm, có khả năng giải quyết các vấn đề vượt ngoài tầm với của máy tính cổ điển, nhưng chúng dễ bị gián đoạn bởi "nhiễu"—sự can thiệp từ các nguồn như sóng radio, trường điện từ và thậm chí cả tia vũ trụ. Để duy trì tính toàn vẹn của các quá trình lượng tử, đội ngũ của chúng tôi xây dựng các vỏ bọc chuyên dụng. Tương tự như một phòng thu cách âm cho các nghệ sĩ thu âm, vỏ bọc này kết nối các qubit với thế giới bên ngoài trong khi giảm thiểu nhiễu loạn từ bên ngoài. Điều này đòi hỏi kỹ thuật cơ khí và điện từ phức tạp, cùng với việc cân nhắc cẩn thận về vật liệu và bố trí chính xác các mạch điện.

Dây dẫn: Tạo đường dẫn để điều khiển máy tính lượng tử

Điều khiển một máy tính lượng tử liên quan đến việc xử lý các biến đổi nhiệt độ khắc nghiệt. Chúng tôi sử dụng tín hiệu vi sóng để quản lý các qubit, truyền chúng qua các dây dẫn được lựa chọn cẩn thận, trải dài từ nhiệt độ phòng đến gần nhiệt độ không tuyệt đối. Những dây dẫn này được chọn vì khả năng truyền tín hiệu hiệu quả và chính xác. Ngoài ra, việc tích hợp các bộ lọc dọc theo dây dẫn giúp bảo vệ qubit khỏi nhiễu bên ngoài, đảm bảo hiệu suất của chúng không bị ảnh hưởng.

Tủ lạnh pha loãng: Một trong những nơi lạnh nhất trong vũ trụ

Các qubit siêu dẫn yêu cầu nhiệt độ lạnh hơn cả không gian vũ trụ để hoạt động hiệu quả. Chúng tôi đạt được những điều kiện siêu lạnh này bằng cách sử dụng một thiết bị gọi là tủ lạnh pha loãng. Bằng cách đặt các qubit trong tủ lạnh này, các kim loại siêu dẫn đạt trạng thái không có điện trở, cho phép dòng điện chạy mà không mất năng lượng và giảm thiểu nhiễu nhiệt. Môi trường lạnh giá này cho phép các qubit duy trì các đặc tính lượng tử và thực hiện các phép tính lượng tử phức tạp.

Willow đại diện cho một bước tiến quan trọng trong nỗ lực của đội ngũ Quantum AI của chúng tôi nhằm khai thác toàn bộ tiềm năng của tính toán lượng tử. Bây giờ bạn đã có cái nhìn thoáng qua về công việc trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, hãy khám phá lộ trình tính toán lượng tử của chúng tôi để tìm hiểu cách chúng tôi dự định chuyển đổi công nghệ lượng tử từ phòng thí nghiệm sang các ứng dụng thực tế.