• Thứ Ba, 23/03/2004 16:53 (GMT+7)

    Máy tính lượng tử

    Nhờ những tiến bộ của công nghệ điện tử nano và sự phát hiện tính chất cùng song song tồn tại của các hạt lượng tử, các nhà khoa học trên thế giới đã nhận định: có thể sản xuất các máy tính lượng tử (quantum computer) - máy tính siêu nhanh, hoạt động trên các cơ chế lượng tử sử dụng bit lượng tử (qubit). Từ năm 1982 các phòng thí nghiệm hàng đầu của các nước tiên tiến trên thế giới đã tập trung nghiên cứu về máy tính lượng tử và hy vọng trong vài năm tới sẽ sản xuất ra những máy tính lượng tử đầu tiên. Bài viết này giới thiệu các mẫu máy tính lượng tử được kỳ vọng bậc nhất hiện nay.

    1. Máy tính lượng tử chất khí



    Hình 1: Mô hình máy tính lượng tử chất khí:máy tính lượng tủ bẫy ion sử dụng laser(Sacket et al, 2000)

    Đây là máy tính lượng tử bẫy ion sử dụng laser do Cirac và Zoller đưa ra vào năm 1995. Trong máy tính lượng tử này, qubit là các ion trong một chất khí đơn lẻ bị bẫy bởi hiệu ứng làm lạnh bằng laser. Sự truyền tải thông tin thông qua tương tác Coulomb giữa các ion và sự trao đổi photon giữa các kích thích tập thể. Các thao tác được thực hiện thông qua một laser xung cộng hưởng Rabi. (Hình 1)




    2. Máy tính lượng tử chất lỏng

    Hình 2.Mô hình máy tính lượng tử chất lỏng: máy tính lượng tử cộng hưởng từ hạt nhân(Cory et al, 2000) và một số loại phân tử hữu cơ được dùng.

    Là máy tính lượng tử cộng hưởng từ hạt nhân sử dụng sự xoay quanh hạt nhân của các phân tử trong một chất lỏng làm qubit, từng phân tử sẽ là một máy tính lượng tử đơn lẻ, các thao tác được thực hiện qua kỹ thuật cộng hưởng từ hạt nhân (dao động Rabi). Sự truyền tải thông tin thông qua tương tác xoay. Ưu điểm lớn nhất của máy tính lượng tử này là thời gian ổn định khá dài (cỡ giây). Nhược điểm chính là khó tách tín hiệu khỏi nhiễu khi có nhiệt độ cao. Trong hình 2 là mẫu máy tính lượng tử cộng hưởng từ hạt nhân, với các phân tử ở trong chất lỏng của bình ở chính giữa, đặt trong từ trường mạnh.

    3. Máy tính lượng tử chất rắn (bán dẫn)



    Hình 3.Mô hình máy tính lượng tử chất rắn(bán dẫn) : sử dụng tính năng xoay của điện tử donor P.

    Được nhiều nhóm tập trung nghiên cứu với hy vọng sẽ sử dụng được các thành tựu của nền công nghiệp bán dẫn hiện nay và công nghệ nano trong tương lai gần: Barenco - Deutsch (1995), Los - Divincenzo (1998), Kane (1998). Có hai loại máy tính lượng tử bán dẫn chính sử dụng sự xoay của điện tử hoặc phân cực của photon.

    Trong máy tính lượng tử bán dẫn xoay (spin) thì các qubit là các trạng thái xoay của điện tử. Ưu điểm của loại máy này là khả năng ứng dụng thực tế. Nhược điểm là khó điều khiển.

    Máy tính lượng tử bán dẫn quang sử dụng các trạng thái phân cực của photon làm qubit. Ưu điểm của loại máy này là tương đối dễ điều khiển. Nhược điểm là thời gian làm việc quá ngắn do photon tương tác mạnh với môi trường.
    Trong hình 3 là mô hình máy tính lượng tử bán dẫn sử dụng tính năng xoay của điện tử donor P (Dzurak et al, 2003) đặt trong từ trường mạnh 2 Tesla với các cổng điện áp A và J.

    4. Máy tính lượng tử từ cặp chấm lượng tử
    Máy tính lượng tử này dựa trên công nghệ Si, Ge và GaAs đã và đang là nền tảng của công nghiệp điện tử - viễn thông hiện đại: sử dụng tính chất xoay của các điện tử trong cặp chấm lượng tử. Đây cũng chính là một ứng dụng của công nghệ mới spin tử (spintronics). Mẫu thiết kế (Friesen et al, 2003) diễn tả trên hình được chế tạo bằng các công nghệ đang có hiện nay.



    Hình 4. Mẫu máy tính lượng tử từ cặp chấm lượng tử.

    a) Cấu trúc máy tính lượng tử từ cặp chấm lượng tử: ở chính giữa là một giếng lượng tử, tiếp hai bên là lớp rào thông hầm lượng tử, mặt trên khắc theo thiết kế.

    b) Các cổng ở mặt trên của máy tính lượng tử với một dãy chấm lượng tử, các chấm lượng tử được đặt ở các khe đánh dấu bằng các chữ thập X.

    Lớp ở giữa là một giếng lượng tử dày 6 nm giam cầm điện tử theo chiều thẳng đứng được làm từ bán dẫn Si không pha tạp, hai rào thế hai bên dày 10 nm (dưới) và 20 nm (trên) được làm từ bán dẫn không pha tạp cho chiều cao rào thế tương ứng. Cổng dưới được làm từ bán dẫn pha tạp, cổng trên làm từ kim loại được khắc chia thành các ô. Các chấm lượng tử sẽ được đặt ở các khe như trên hình vẽ. Tùy theo các điện áp đặt vào cổng trên mà, hai điện tử sẽ tách ra xa nhau hoặc xích lại gần nhau.

    Kết luận
    Trên Thế Giới, việc xây dựng cơ sở phần cứng cũng như phần mềm của máy tính lượng tử đang từng bước được hoàn thiện. Một trong những đầu tư lớn nhất là của hãng Hewlett-Packard với 25 triệu bảng trong dự án chế tạo máy tính lượng tử. Đây cũng là công trình nghiên cứu bí mật của các quốc gia và các hãng sản xuất máy tính nên còn rất nhiều hạn chế trong việc quảng bá. Tuy nhiên, chúng ta có thể tin rằng trong tương lai máy tính lượng tử sẽ thay thế máy tính điện tử ngày nay với nhiều tính năng ưu việt mà nó mang lại.
    Bài viết có sử dụng nhiều nguồn tài liệu tham khảo trong và ngoài nước.

    TS.Ngô Tứ Thành và TS.Lê Minh Thanh
    Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

     

    ID: A0403_79