Cỗ máy này, do các kỹ sư tại Saxon Q chế tạo, là một máy tính lượng tử dựa trên khuyết tật nitơ (NV), nghĩa là nó sử dụng các khuyết tật trong kim cương tổng hợp làm bit lượng tử (qubit) để thực hiện các phép toán lượng tử.

Phần cứng hiện đang được cung cấp dưới dạng hệ thống gắn rack với tối đa 128 qubit, và cấu hình 512 qubit sẽ được giao vào năm sau. Theo lộ trình của công ty, mục tiêu là mở rộng lên 10.000 qubit và hơn nữa sau năm 2030.

Mặc dù công nghệ này đã tồn tại trước khi ra mắt, các nhà khoa học gặp khó khăn trong việc xây dựng hệ thống vượt quá 10 qubit do việc tạo ra qubit khuyết tật nitơ rất phức tạp.

Cơ học lượng tử và kim cương có khuyết tật

Vào những năm 1970, các nhà khoa học phát hiện ra rằng có một số viên kim cương phát sáng đỏ rực rỡ khi được chiếu sáng theo một cách nhất định. Nghiên cứu sau đó xác định sự thay đổi quang học này là do quá trình ủ nhiệt làm tổn thương bức xạ, thu hút các nguyên tử nitơ thay thế đơn lẻ. Nói cách khác, tự nhiên đôi khi tạo ra một viên kim cương có nguyên tử nitơ thay cho nguyên tử carbon.

Các nguyên tử nitơ không tích hợp này bị hút về phía khuyết tật trong mạng lưới nguyên tử carbon vốn hoàn hảo bên trong kim cương. Dù những viên kim cương có khuyết tật này hiếm gặp trong tự nhiên, các nhà khoa học có thể tạo ra kim cương có khuyết tật nitơ trong phòng thí nghiệm.

Về mặt chức năng, các nguyên tử nitơ đơn lẻ bên trong khuyết tật hoạt động như thể chúng bị "bẫy", và các electron của chúng có thể "quay" độc lập với các electron trong các nguyên tử carbon xung quanh.

Các nhà khoa học khai thác đặc tính "spin" này bằng cách sử dụng laser đặc biệt để đưa electron của nguyên tử nitơ vào trạng thái xác định là "không". Sau đó, họ có thể sử dụng xung vi sóng để điều khiển chính xác các electron vào nhiều cấu hình khác nhau, bao gồm cả các trạng thái lượng tử mà bit nhị phân thông thường không thể đạt được.

Một máy tính lượng tử hoạt động hoàn chỉnh

GS Marius Grundmann, chuyên gia vật lý thực nghiệm tại Đại học Leipzig và đồng sáng lập Saxon Q cho biết, bước đột phá giúp công ty vượt qua rào cản 10 qubit là cấy thêm lưu huỳnh khi tạo ra khuyết tật trong kim cương tổng hợp vì lưu huỳnh giúp khuyết tật liên kết với nitơ với hiệu suất rất cao.

Đại diện Saxon Q cho biết, các qubit đạt tỷ lệ chính xác 99,92% tức là chưa đến một lỗi trên 1.000 phép toán. Tuy nhiên, số liệu mới nhất tính đến ngày 22/7 cho thấy độ chính xác trong các phép toán một qubit đạt 99,98%. Đây là mức tương đương với kết quả sửa lỗi tiên tiến được báo cáo bởi các phòng thí nghiệm máy tính lượng tử của IBM và MIT.

Nếu hệ thống của Saxon Q thực sự chứng minh được khả năng tương đương với các kiến trúc máy tính lượng tử trạng thái rắn hiện có, chúng sẽ nằm trong số những máy tính lượng tử thế hệ đầu tiên hoạt động ở nhiệt độ phòng đạt hiệu suất tương tự các hệ thống cần làm lạnh sâu và giám sát tại chỗ.

Điểm nổi bật là thiết bị của Saxon Q có thể lắp vào giá máy tính tiêu chuẩn và cắm trực tiếp vào nguồn điện xoay chiều. Điều này mang lại lợi thế rõ rệt trong ngắn hạn cho các khách hàng muốn chạy thuật toán trên hệ thống lượng tử mà không cần thông qua đám mây.

Thách thức hiện tại để mở rộng máy tính lượng tử NV dựa trên kim cương vượt quá phạm vi 512 qubit là kích thước của chip. Chip hiện tại của Saxon Q chỉ hỗ trợ tối đa 8 hoặc 16 qubit.

Để xây dựng hệ thống mạnh hơn, các nhà khoa học sẽ cần tích hợp hàng trăm, thậm chí hàng nghìn qubit trên một mảng duy nhất để đáp ứng các phép toán đòi hỏi hàng trăm nghìn hoặc hàng triệu qubit.