Đổi mới hoàn toàn khả năng xử lý dữ liệu bằng tính toán lượng tử

Từ những khái niệm lý thuyết, tính toán lượng tử đang dần được áp dụng vào các hệ thống trong thực tiễn.

Các phòng thí nghiệm Intel® đang sản xuất các bộ xử lý lượng tử tại Oregon và tiến hành công việc kỹ thuật ở cấp hệ thống nhằm hướng đến tính toán lượng tử sản xuất hàng loạt trong vòng 10 năm.

Tính toán lượng tử là gì

Hoạt động mã hóa nhị phân cho dữ liệu là yếu tố cơ bản của điện toán, trong đó các bit cấu thành số 0 hoặc 1 được biểu diễn bằng hình thức điện tử thành các trạng thái “bật” hoặc “tắt”. Kỹ thuật tính toán lượng tử định nghĩa lại hướng tiếp cận đó: thay thế các bit bằng các bit lượng tử (qubit) vốn có thể đồng thời thể hiện nhiều trạng thái theo như định nghĩa chung trong vật lý truyền thống. Các hệ thống lượng tử biểu diễn dữ liệu bằng cách sử dụng qubit và các hiện tượng lượng tử như chồng chập và rối lượng tử có tiềm năng tạo ra cấp độ tính toán với mức song song hàng loạt cao chưa từng có.

Các phòng thí nghiệm Intel® đang tiến hành phát triển khả năng tính toán lượng tử thông qua việc liên tục nghiên cứu trong nội bộ, kết hợp với các mối quan hệ hợp tác và đầu tư trong toàn ngành và giới học thuật, cũng như nhờ vào vị thế dẫn đầu của Intel về mặt kỹ thuật chế tạo silicon. Công tác nghiên cứu đã và đang được tiến hành trong nhiều thập kỷ, phát triển từ cấp độ lý thuyết với các thí nghiệm tưởng tượng trong suốt phần lớn thế kỷ 20, với các linh kiện phần cứng chức năng đầu tiên dành cho tính toán lượng tử vốn vừa mới được phát triển cách đây vài năm.

Dòng thời gian phát triển của tính toán lượng tử.

Nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm Intel® đã trực tiếp dẫn đến sự phát triển của Tangle Lake - bộ xử lý lượng tử siêu dẫn tích hợp 49 qubit trong một đơn vị hoàn chỉnh được sản xuất tại cơ sở chế tạo 300 milimet của Intel ở Hillsboro, Oregon. Thiết bị này là thế hệ thứ ba của bộ xử lý lượng tử do Intel sản xuất, được nâng cấp lên từ 17 qubit ở sản phẩm tiền nhiệm.

Tangle Lake là một bước tiến trong hành trình phát triển không ngừng của các hệ thống tính toán lượng tử toàn diện, vốn có lẽ vẫn cần thêm 10 năm nữa để trở thành hiện thực. Các hệ thống như vậy hứa hẹn khả năng chưa từng có trong việc mô phỏng và phân tích các hiện tượng tự nhiên để ời nhanh chóng giải đáp cho các câu hỏi về hiện tượng, vốn đòi hỏi một lượng thời gian không tưởng ở các siêu máy tính ngày nay. Khả năng đó được kỳ vọng sẽ tạo ra những bước đột phá trong các lĩnh vực đa dạng như y học di truyền cá thể hóa, vật lý thiên văn và giải quyết các thách thức về môi trường.

Bộ xử lý lượng tử 49 qubit Tangle Lake.

Sự phát triển không ngừng trong quan hệ đối tác với ngành và giới học thuật
Những thách thức trong việc phát triển các hệ thống tính toán lượng tử rất đa dạng và nan giải. Ví dụ: bản thân các qubit cực kỳ mỏng manh, bất kỳ sự xáo trộn nào (kể cả khi đo lường) cũng khiến chúng chuyển từ trạng thái lượng tử trở lại trạng thái cổ điển (nhị phân), dẫn đến mất dữ liệu. Tangle Lake cũng phải vận hành ở nhiệt độ cực lạnh, chỉ trong phạm vi từ 1 độ Kelvin đến 0 độ tuyệt đối.

Hơn nữa, còn có những vấn đề đáng kể về quy mô, khi mà việc triển khai trong thực tế ở quy mô thương mại có thể cần ít nhất một triệu qubit. Trong bối cảnh như vậy, bản thân kích thước tương đối lớn của các bộ xử lý lượng tử cũng đã là một hạn chế đáng kể. Ví dụ: Tangle Lake có kích thước khoảng ba inch vuông. Để giải quyết những thách thức này, Intel đang tích cực phát triển các kỹ thuật thiết kế, tạo mẫu, đóng gói và chế tạo để có thể tạo ra các bộ xử lý lượng tử phức tạp hơn.

Năm 2015, Intel bắt đầu hợp tác với QuTech, một tổ chức nghiên cứu tính toán lượng tử ở Hà Lan. Mối quan hệ hợp tác này bao gồm khoản đầu tư 50 triệu đô la Mỹ của Intel vào QuTech để liên tục cung cấp các nguồn lực kỹ thuật giúp thúc đẩy sự phát triển trong lĩnh vực này. QuTech là một trung tâm nghiên cứu và giáo dục tiên tiến về tính toán lượng tử, do Tổ chức nghiên cứu ứng dụng Hà Lan và Đại học Công nghệ Delft thành lập. Kết hợp với chuyên môn của Intel về chế tạo, công nghệ điều khiển điện tử và kiến trúc, đây là sự hợp tác hết sức phù hợp cho việc giải quyết những thách thức trong việc phát triển các hệ thống máy tính lượng tử đầu tiên sử dụng được trong thực tiễn.

Hiện tại, các con chip của Tangle Lake được sản xuất tại Oregon đang được chuyển đến QuTech ở Hà Lan để phân tích. QuTech đã phát triển các kỹ thuật hiệu quả để mô phỏng khối lượng công việc lượng tử dưới dạng một phương tiện để giải quyết các vấn đề như kết nối, kiểm soát và đo lường nhiều qubit ở trạng thái rối. Ngoài việc giúp thúc đẩy thiết kế máy tính lượng tử ở cấp hệ thống, những thông tin chuyên sâu có được thông qua nghiên cứu này góp phần tăng tốc chuyển tiếp từ thiết kế và chế tạo lên thử nghiệm các thế hệ tương lai của công nghệ.

Ngoài việc hợp tác với QuTech, các phòng thí nghiệm Intel® cũng đang làm việc với các thành viên khác trong hệ sinh thái cả về các thách thức cơ bản và cấp hệ thống ở toàn bộ hệ thống tính toán lượng tử. Nghiên cứu liên kết giữa QuTech, Đại học Toronto và Đại học Chicago và các nghiên cứu khác được xây dựng từ các thiết bị lượng tử để bao gồm các cơ chế như sửa lỗi, cơ chế kiểm soát dựa trên phần cứng và phần mềm, cũng như các phương pháp và công cụ để phát triển các ứng dụng lượng tử.

Không chỉ có khả năng siêu dẫn: Hứa hẹn của Qubit quay
Một cách tiếp cận để giải quyết một số thách thức vốn có đối với các bộ xử lý lượng tử như Tangle Lake dựa trên các qubit siêu dẫn là nghiên cứu các qubit quay do các Phòng thí nghiệm thuộc Intel® và QuTech thực hiện. Qubit quay hoạt động dựa trên chuyển động quay của một electron duy nhất trong silicon, được điều khiển bằng các xung vi sóng. So với các qubit siêu dẫn, qubit quay gần giống với các thành phần bán dẫn hiện có đang hoạt động trong silicon hơn nhiều, do đó có khả năng tận dụng các kỹ thuật chế tạo hiện có. Ngoài ra, lĩnh vực nghiên cứu đầy hứa hẹn này có tiềm năng tạo lợi thế trong các lĩnh vực sau:

Nhiệt độ hoạt động: Các qubit quay yêu cầu điều kiện hoạt động cực lạnh, nhưng ở mức độ thấp hơn các qubit siêu dẫn (khoảng một độ Kelvin so với 20 millikelvin); do khó khăn trong việc đạt được nhiệt độ thấp hơn làm tăng theo cấp số nhân khi gần đến mức 0 tuyệt đối, sự khác biệt này có khả năng làm giảm đáng kể độ phức tạp của hệ thống.

Tính ổn định và thời lượng: Các qubit quay được kỳ vọng sẽ duy trì lâu hơn nhiều so với các qubit siêu dẫn, làm cho việc áp dụng qubit vào các thuật toán ở cấp độ bộ xử lý đơn giản hơn nhiều.

Kích thước vật lý: Nhỏ hơn nhiều so với các qubit siêu dẫn, một tỷ qubit quay về mặt lý thuyết có thể chứa được trong một milimet vuông không gian. Kết hợp với sự tương đồng về cấu trúc của chúng với các bóng bán dẫn thông thường, tính chất này của qubit quay có thể đóng vai trò cốt yếu trong việc nâng cấp hệ thống máy tính lượng tử lên đến hàng triệu qubit (vốn được ước tính là số lượng cần thiết trong các hệ thống sản xuất).

Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã phát triển một quy trình chế tạo qubit quay bằng công nghệ xử lý 300 mm của Intel, cho phép sản xuất các chuỗi qubit quay nhỏ trong silicon. Trên thực tế, QuTech đã bắt đầu thử nghiệm các hệ thống máy tính lượng tử dựa trên qubit quay quy mô nhỏ. Là một nền tảng phần mềm được chia sẻ công khai, QuTech cũng đã phát triển Hộp công cụ công nghệ lượng tử - một gói Python để thực hiện các phép đo và hiệu chuẩn qubit quay.

Cách tiếp cận hai bước để lập kế hoạch cho mạch lượng tử

Việc tiếp tục nỗ lực mở rộng quy mô phần cứng lượng tử hiện có cũng làm phát sinh nhu cầu lập kế hoạch cho các cổng lượng tử theo cách giảm thiểu số lượng hoạt động. Nghiên cứu này trình bày một cách tiếp cận hai bước hiệu quả để lập kế hoạch cho cổng mạch lượng tử.

Đọc báo cáo

Mối quan hệ đối tác

QuTech

QuTech là một trung tâm nghiên cứu tiên tiến về tính toán lượng tử và Internet lượng tử, là kết quả của mối quan hệ hợp tác giữa TU Delft và TNO.

CQIQC

Trung tâm thông tin lượng tử và đếm lượng tử thúc đẩy sự hợp tác nghiên cứu trong lĩnh vực liên ngành đang phát triển nhanh chóng này.

Đại học Chicago

Viện kỹ thuật phân tử dẫn đầu nghiên cứu và giáo dục kỹ thuật theo hướng mới, thúc đẩy các ứng dụng sáng tạo của khoa học cấp độ phân tử.

Tin tức


Khám phá những tin tức mới nhất về Intel và tính toán lượng tử.

Tham gia phòng thí nghiệm Intel®

Đưa niềm đam mê công nghệ và xử lý vấn đề của bạn đến với Phòng thí nghiệm củIntel® và giúp tạo ra điều chưa từng tồn tại.

Khám phá các cơ hội

Thông tin khác từ Phòng thí nghiệm Intel®

Giới thiệu về Phòng thí nghiệm Intel®

Hợp tác và tài trợ cho các nhà nghiên cứu hàng đầu trên thế giới để phát triển bước đột phá tiếp theo, làm thay đổi cách máy móc suy nghĩ, học hỏi và thích nghi.

Tìm hiểu thêm

Điện toán xác suất và mô phỏng não người

Cuộc cách mạng tiếp theo trong lĩnh vực Trí tuệ nhân tạo (AI) đang thúc đẩy nghiên cứu vốn sẽ làm cho kỹ thuật tính toán mô phỏng gần giống với bộ não sinh học hơn.

Tìm hiểu thêm

Những đổi mới đang xuất hiện

Các công nghệ mới xuất hiện đang thúc đẩy và định hình tương lai của điện toán. Khám phá các lĩnh vực đổi mới chính ở tiền tuyến cuộc cách mạng kỹ thuật tiếp theo.

Tìm hiểu thêm