ETH Zurich vừa công bố một thiết kế chip lượng tử cỡ móng tay có khả năng lưu trữ thông tin bằng các dao động cơ học siêu nhỏ. Kiến trúc này tách riêng khối xử lý và bộ nhớ ngay trên chip, qua đó mở ra hướng tăng mật độ bộ nhớ cho máy tính lượng tử.

Theo TechRadar ngày 16/7 (giờ địa phương), nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách khoa Liên bang Zurich (ETH Zurich, Thụy Sĩ) đã phát triển một kiến trúc chip lượng tử mới, trong đó chức năng tính toán và lưu trữ thông tin không còn do cùng một cấu trúc đảm nhiệm.

Nhà vật lý lượng tử Lee Won Chou, người dẫn dắt nghiên cứu, đề xuất cách lưu trữ và xử lý thông tin lượng tử bằng các dao động cơ học siêu nhỏ ở dải tần vượt xa khả năng nghe của con người.

Điểm đáng chú ý của thiết kế này là cách tiếp cận tương tự máy tính cổ điển: khối xử lý và bộ nhớ được tách riêng. Nếu ở máy tính truyền thống, CPU và bộ nhớ đảm nhiệm hai vai trò khác nhau, thì nhóm nghiên cứu đang đưa mô hình đó vào ngay trong chip lượng tử.

Trong kiến trúc mới, qubit siêu dẫn Transmon đóng vai trò khối xử lý. Phần bộ nhớ do HBAR (High-Overtone Bulk Acoustic Resonator) đảm nhiệm. Bên trong HBAR có nhiều chế độ dao động, mỗi chế độ hoạt động như một ô nhớ độc lập. Qubit sẽ đọc thông tin lượng tử từ các chế độ dao động để thực hiện phép tính, rồi ghi trở lại trạng thái tương ứng.

Nhóm nghiên cứu ví cơ chế này với dây đàn guitar: cùng một dây có thể tạo ra nhiều nốt khác nhau tùy theo cách rung. Tương tự, HBAR có thể khai thác nhiều chế độ dao động khác nhau như các không gian lưu trữ riêng biệt cho thông tin lượng tử.

Cách làm này khác với nhiều thiết kế máy tính lượng tử hiện nay, vốn xử lý tính toán và lưu trữ bằng các cấu trúc tương tự nhau. Việc tách riêng bộ nhớ và khối xử lý được kỳ vọng sẽ cải thiện hiệu quả lưu trữ trên chip.

Một lợi thế khác nằm ở khả năng thu nhỏ. Theo nhóm nghiên cứu, bước sóng của sóng âm ngắn hơn sóng điện từ khoảng 100.000 lần, nhờ đó có thể tích hợp nhiều cấu trúc bộ nhớ hơn trong cùng một diện tích. Dù toàn bộ hệ thống máy tính lượng tử vẫn cần hạ tầng quy mô lớn, kiến trúc này được xem là phù hợp để tăng mật độ bộ nhớ trên chip.

Nhóm cũng đã kiểm chứng hiệu năng cơ bản của thiết kế. Các nhà nghiên cứu cho biết họ chạy thành công phép biến đổi Fourier lượng tử (Quantum Fourier Transform) và thuật toán tìm chu kỳ, vốn là những bài toán thường được dùng để đánh giá năng lực của máy tính lượng tử. Kết quả cho thấy thiết kế này không chỉ dừng ở mức ý tưởng.

Mục tiêu cuối cùng của nhóm là hiện thực hóa bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên lượng tử, hay QRAM. Đây được xem là một trong những công nghệ then chốt để khai thác hiệu quả các hệ bộ nhớ lượng tử quy mô lớn hơn hiện nay. Tuy vậy, nhóm nhấn mạnh quá trình thương mại hóa vẫn đòi hỏi đồng thời bảo đảm khả năng mở rộng bộ nhớ và hiệu năng tính toán.

Nghiên cứu này được đánh giá có ý nghĩa vì mở ra một hướng tiếp cận mới cho bài toán bộ nhớ, vốn là một trong những hạn chế lớn của máy tính lượng tử. ETH Zurich đang đề xuất một cấu trúc sử dụng cộng hưởng âm kích thước nhỏ để gia tăng số lượng ô nhớ; thách thức tiếp theo là liệu công nghệ này có thể mở rộng lên các hệ lượng tử quy mô lớn hay không.