ÚC – Các nhà khoa học đã khám phá được một phương pháp mới nhằm cung cấp năng lượng cho máy tính lượng tử bằng cách sử dụng pin lượng tử, một bước đột phá có thể giúp các máy tính trong tương lai hoạt động nhanh hơn, đáng tin cậy hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.

Máy tính lượng tử dựa trên các quy luật của vật lý lượng tử để giải quyết những bài toán phức tạp, hứa hẹn thay đổi các lĩnh vực như điện toán, y học, năng lượng, tài chính, truyền thông và nhiều ngành nghề khác trong tương lai.

Tuy nhiên, việc duy trì các trạng thái lượng tử mỏng manh này thường yêu cầu hệ thống làm lạnh sâu (cryogenic) (*) có kích thước lớn bằng một căn phòng và tiêu tốn nhiều năng lượng, cùng với một hệ thống thiết bị điện tử vận hành ở nhiệt độ phòng.
(*) Hệ thống làm lạnh sâu: trong lĩnh vực máy tính lượng tử và vật lý hiện đại, hệ thống làm lạnh sâu đóng vai trò là “trái tim” giúp duy trì sự sống cho các chip xử lý. Hiểu một cách đơn giản, đây là những thiết bị làm lạnh cực mạnh, đưa nhiệt độ xuống mức gần bằng độ không tuyệt đối (0 độ K hay -273,15 độ C).

Những yêu cầu về cơ sở hạ tầng và năng lượng này tạo ra rào cản lớn cho việc mở rộng quy mô máy tính lượng tử, làm hạn chế kích thước và sức mạnh xử lý, đồng thời thu hẹp khả năng ứng dụng và làm chậm quá trình thương mại hóa của chúng.

Trong một nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Physical Review X (PRX), nhóm nghiên cứu đến từ cơ quan khoa học quốc gia Úc (CSIRO – Australia’s national science agency), đại học Queensland (university of Queensland) và học viện khoa học và công nghệ Okinawa (OIST – Okinawa institute of science and technology) đã chứng minh trên lý thuyết cách những viên pin lượng tử (quantum battery) (*) siêu nhỏ có thể cung cấp năng lượng cho máy tính lượng tử, giúp tăng số lượng bit lượng tử (qubit) lên gấp bốn lần.
(*) Pin lượng tử: là một hệ lưu trữ năng lượng ở cấp độ lượng tử, sử dụng các trạng thái lượng tử (qubit, spin, mức năng lượng nguyên tử, …) để tích trữ và giải phóng năng lượng theo những cơ chế không tồn tại trong pin truyền thống.

Tiến sĩ James Quach, đồng tác giả nghiên cứu và là trưởng nhóm nghiên cứu pin lượng tử tại cơ quan CSIRO, cho biết các máy tính này tiêu thụ ít năng lượng hơn nhờ khả năng tái chế năng lượng trong hệ thống của pin lượng tử tích hợp.

Tiến sĩ Quach chia sẻ: “Pin lượng tử có kích thước nhỏ nhưng mang sức mạnh lớn. Những phát hiện của nhóm nghiên cứu đưa thế giới tiến gần hơn đến việc giải quyết các vấn đề về năng lượng, làm mát và cơ sở hạ tầng đang kìm hãm máy tính lượng tử. Điều này giống như việc trang bị cho máy tính một bình nhiên liệu nội bộ. Thay vì liên tục nạp năng lượng từ lưới điện, viên pin này sẽ tự sạc ngay trong quá trình máy tính vận hành”.

Pin lượng tử là thiết bị lưu trữ năng lượng bằng ánh sáng, cho phép chúng sạc lại đơn giản chỉ bằng cách tiếp xúc với nguồn sáng đó. Khi được tích hợp vào máy tính lượng tử, chúng có thể được sạc liên tục bởi chính các thành phần nội tại của máy.

Trong hệ thống này, viên pin được liên kết với các CPU lượng tử (quantum processing unit – QPU) (1) thông qua một hiện tượng gọi là rối lượng tử (entanglement) (2), tạo nên một kết nối lượng tử dùng chung.
(1) CPU lượng tử: Trong khi CPU truyền thống (như chip Intel hay Apple M3) là “bộ não” của máy tính cá nhân, thì CPU lượng tử là trái tim của một máy tính lượng tử. Sự khác biệt lớn nhất nằm ở cách chúng xử lý thông tin: CPU truyền thống xử lý theo chuỗi các bit (0 hoặc 1), còn QPU xử lý dựa trên các quy luật kỳ lạ của vật lý lượng tử.
(2) Rối lượng tử: là trạng thái mà hai hoặc nhiều hạt kết nối chặt chẽ với nhau đến mức trạng thái của hạt này phụ thuộc trực tiếp vào trạng thái của hạt kia, bất kể chúng cách nhau bao xa (vài mét hay nửa vòng trái đất).

Sơ đồ minh họa cách máy tính lượng tử được sạc bằng pin lượng tử

Tiến sĩ Quach nói rằng: “Nhóm nghiên cứu đã tính toán được rằng các hệ thống vận hành bằng pin lượng tử sẽ tạo ra ít nhiệt hơn, yêu cầu ít linh kiện dây dẫn hơn và có thể tích hợp nhiều qubit hơn trong cùng một không gian vật lý, đây đều là những bước đi quan trọng hướng tới việc chế tạo các máy tính lượng tử thực tế và có khả năng mở rộng quy mô”.

Mô hình hóa cũng chỉ ra rằng cấu trúc này có thể cải thiện tốc độ tính toán thông qua hiện tượng được gọi là tính siêu mở rộng lượng tử (quantum superextensivity), một hiện tượng mà số lượng qubit càng lớn thì tốc độ xử lý của chúng càng nhanh.

Tiến sĩ Quach chia sẻ: “Bài báo cáo đã trình bày về mô hình lý thuyết cách pin lượng tử cung cấp năng lượng cho các máy tính lượng tử hiện nay; bước tiếp theo của nhóm là xây dựng một mô hình trình bày thực tế cho phương pháp này. Mặc dù pin lượng tử vẫn là một công nghệ mới nổi và cần phát triển thêm, nhưng hướng tiếp cận này mở ra những tiềm năng thú vị cho tương lai của điện toán lượng tử”.

Để xem các tin bài khác về “Pin lượng tử”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online