Trong hơn một thập kỷ qua, nhiều nhà vật lý trên toàn thế giới cố gắng phát triển các hệ thống máy tính lượng tử và đánh giá tiềm năng ứng dụng trong thực tế đời sống.

Thay vì mã hóa thông tin theo bit, đơn vị thông tin có giá trị nhị phân (1 hoặc 0), máy tính lượng tử sử dụng bit lượng tử hoặc qubit. Qubit là các tương tự cơ học lượng tử của các bit, có thể tồn tại ở các trạng thái (1 và 0 đồng thời).

Hầu hết các hệ thống máy tính lượng tử được phát triển cho đến nay đều bao gồm  chuỗi các qubit, đặt trên một chip 2D, trực tiếp tính toán thông tin. Hệ thống máy tính cổ điển là máy tính được tạo thành từ một bộ xử lý trung tâm, xử lý thông tin và bộ nhớ lưu trữ thông tin.

Các nhà khoa học tại Đại học Paris – Saclay, CNRS, CEA, cùng thực hiện một nghiên cứu đánh giá hiệu suất của máy tính lượng tử, có cấu trúc tương tự như của máy tính thông thường.

Kết quả nghiên cứu, được công bố trên Tạp chí Physical Review Letters cho biết, việc kết hợp các đơn vị lưu trữ thông tin lượng tử vào những hệ thống tính toán lượng tử có thể cho phép tạo ra những thiết bị chứa ít qubit hơn đáng kể trong bộ xử lý.

Élie Gouzien, thành viên nhóm khoa học thực hiện nghiên cứu, trả lời phỏng vấn Phys.org nói: “Kiến trúc thông thường cho máy tính lượng tử là đặt tất cả các qubit trên một chip 2D và chạy tính toán trực tiếp trên các qubit đó. "Phát triển máy tính lượng tử, cần phải thay đổi quan điểm có tất cả các qubit trên một bộ xử lý duy nhất và phát triển một kiến trúc khác, tương tự như kiến trúc của máy tính cổ điển, có một bộ vi xử lý kết hợp với một bộ nhớ."

Sơ đồ kiến trúc máy tính lượng tử do các nhà nghiên cứu đề xuất

Để so sánh hiệu quả kiến trúc này với các hệ thống tính toán lượng tử hiện có, nhóm nghiên cứu Gouzien quyết định đánh giá hai kiểu kiến trúc trong khả năng chạy một thuật toán nhất định. Cụ thể hơn, nhóm đánh giá những tài nguyên mà kiến trúc mới cần để chạy thuật toán này, bao gồm cả chi phí sửa lỗi.

Gouzien cho biết: “Chúng tôi đã chi tiết hóa phân tách thuật toán thành những cổng cơ bản, điều chỉnh để phù hợp với kiến trúc đang được nghiên cứu, tính đến chi phí sửa lỗi. Sau đó, chúng tôi ghép hai phần đó lại với nhau để đánh giá các tài nguyên vật lý cần thiết để chạy thuật toán phân tích nhân tử."

Các nhà nghiên cứu cho thấy, cách sử dụng bộ xử lý, chế tạo từ 13.436 qubit vật lý kết hợp với bộ nhớ có thể lưu trữ 28 triệu chế độ không gian (khả năng sắp xếp các phần tử không gian) và 45 chế độ thời gian TM (tập hợp các gói sóng trực giao được sử dụng để biểu diễn trường ánh sáng đa chế độ, sử dụng trong bộ nhớ lượng tử), số nguyên RSA 2048-bit có thể được tính trong 177 ngày với mã màu đo 3D.

Nhóm nghiên cứu đề xuất chèn các bước sửa lỗi bổ sung của những qubit lưu trữ mỗi giây, làm tăng thời gian chạy khoảng 23%. Các nhà khoa học nhận thấy có thể đạt được thời gian chạy và thời gian lưu trữ ngắn hơn, đơn giản là tăng số lượng qubit trong đơn vị xử lý.

Tổng quan, nhóm nghiên cứu Gouzien nhận thấy, bổ sung thêm thành phần bộ nhớ có thể làm giảm đáng kể số lượng qubit trong bộ xử lý của hệ thống máy tính lượng tử. Trong báo cáo khoa học, nhóm nghiên cứu đề xuất, kiến trúc máy tính lượng tử có thể được hiện thực hóa bằng việc đặt một giao diện vi sóng giữa một bộ xử lý qubit siêu dẫn và một bộ nhớ ghép kênh.

Thiết kế bộ nhớ lượng tử hiệu quả là một lĩnh vực nghiên cứu hoàn toàn mới, một thách thức khác biệt hơn so với việc lắp hàng triệu qubit vào một thiết bị duy trì độ siêu thấp (cryostat). Báo cáo khoa học này sẽ thúc đẩy tiến trình nghiên cứu về bộ nhớ lượng tử, định hướng khai thác sử dụng trong máy tính lượng tử."