Máy tính lượng tử có thể thực hiện các phép tính dựa trên các nguyên lý của cơ học lượng tử, được kỳ vọng sẽ vượt trội hơn máy tính cổ điển trong một số loại tác vụ tối ưu hóa và xử lý.
Mặc dù các nhà vật lý và kỹ sư đã giới thiệu nhiều hệ thống máy tính lượng tử khác nhau trong những thập kỷ qua, việc mở rộng quy mô một cách đáng tin cậy các hệ thống này để chúng có thể giải quyết các vấn đề thực tế đồng thời sửa các lỗi phát sinh trong quá trình tính toán cho đến nay vẫn còn là một thách thức.
Việc liên kết các qubit bên trong máy tính lượng tử vẫn là một vấn đề.
Việc chế tạo một máy tính lượng tử như một thiết bị thống nhất, duy nhất tỏ ra vô cùng khó khăn. Những cỗ máy này phụ thuộc vào việc thao tác hàng triệu qubit, đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử, nhưng việc tập hợp số lượng lớn như vậy vào một hệ thống lại là một thách thức lớn.
Cũng giống như những khối nhỏ của đồ chơi LEGO ghép lại với nhau để tạo thành những thiết kế lớn hơn, phức tạp hơn, các nhà nghiên cứu có thể chế tạo các mô-đun nhỏ hơn, chất lượng cao hơn và sau đó kết nối chúng lại với nhau để tạo thành một hệ thống lượng tử hoàn chỉnh.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois ở Urbana-Champaign gần đây đã giới thiệu một kiến trúc lượng tử mô-đun mới, cho phép mở rộng quy mô bộ xử lý lượng tử siêu dẫn theo cách chịu lỗi, có khả năng mở rộng và cấu hình lại. Việc mở rộng theo cách chịu lỗi là cần thiết để duy trì các hiệu ứng lượng tử và các điều kiện cần thiết để thực hiện các phép tính lượng tử dài hạn.
Giao thức cáp kết nối gắn kết các khối qubit lại với nhau như ghép LEGO.
Hệ thống mà họ đề xuất, được trình bày trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Electronics, bao gồm một số mô-đun (tức là các thiết bị qubit siêu dẫn) có thể hoạt động độc lập và được kết nối với các mô-đun khác thông qua các kết nối và tạo thành một mạng lượng tử lớn hơn.
Nói cho dễ hiểu là với các kết nối này, mỗi qubit trong hệ thống sẽ chỉ cần "cắm là chạy" (plug and play) như chúng ta gắn thêm thiết bị ngoại vi với máy tính thông thường vậy. Loại cáp liên kết này còn có tác dụng là giảm thiểu sai sót tính toán của hệ thống xuống dưới 1%.
Wolfgang Pfaff, đồng tác giả của nghiên cứu mô tả: "Điểm khởi đầu cho nghiên cứu này là hiểu biết hiện tại trong lĩnh vực điện toán lượng tử siêu dẫn mà chúng ta sẽ cần để chia nhỏ bộ xử lý thành nhiều thiết bị độc lập - một phương pháp mà chúng tôi gọi là 'điện toán lượng tử mô-đun'".
Trong những năm gần đây, điều này đã trở thành một niềm tin phổ biến, và ngay cả các công ty như IBM cũng đang theo đuổi nó. Nghiên cứu này có thể hiện thực hóa một kết nối thân thiện với kỹ thuật cho phương pháp mô-đun
Về cơ bản, Pfaff và các cộng sự xây dựng một chiến lược kết nối các thiết bị lượng tử đồng thời giảm thiểu sự suy giảm tín hiệu hoặc tiêu hao năng lượng khi thông tin lượng tử được truyền giữa chúng. Hơn nữa, họ muốn có thể dễ dàng kết nối, ngắt kết nối và cấu hình lại các thiết bị.
"Nói một cách đơn giản, phương pháp của chúng tôi bao gồm việc sử dụng một cáp đồng trục siêu dẫn chất lượng cao gọi là bộ cộng hưởng bus", Pfaff giải thích.
Họ kết nối một qubit điện dung với một cáp thông qua một đầu nối tùy chỉnh, đặt cáp rất gần (độ chính xác dưới mm) với qubit và sau đó là nhiều qubit nếu chúng được kết nối với cùng một cáp.
Phương pháp mới của các nhà nghiên cứu trong việc tạo ra mạng lượng tử mô-đun có những ưu điểm đáng kể so với các phương pháp trước đây để mở rộng quy mô hệ thống lượng tử.
Trong các thử nghiệm ban đầu, họ nhận thấy phương pháp này cho phép họ kết nối chắc chắn các thiết bị lượng tử dựa trên siêu dẫn và ngắt kết nối chúng sau đó mà không làm hỏng, không gây ra mất mát tín hiệu đáng kể trong các cổng lượng tử.
Pfaff cho biết thêm: "Với phương pháp của chúng tôi, tôi nghĩ rằng chúng ta có cơ hội xây dựng các hệ thống lượng tử có thể cấu hình lại từ đầu, ví dụ như tùy chọn 'cắm' thêm nhiều mô-đun bộ xử lý vào mạng lưới các thiết bị lượng tử theo thời gian".
"Chúng tôi hiện đang nghiên cứu một thiết kế nhằm xem liệu chúng tôi có thể tăng số lượng phần tử kết nối hay không, giúp mạng lưới của chúng tôi lớn hơn. Chúng tôi cũng đang tìm hiểu cách khắc phục tốt hơn các tổn thất trong hệ thống và làm cho kiến trúc tương thích với hiệu chỉnh lỗi lượng tử."
