The high-stakes race to make quantum computers work - Chiara Decaroli

Reviewer: Da My Tran Ngoc

The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology

Thứ chứa trong xi lanh kim loại này

có thể tạo ra một cuộc cách mạng công nghệ

or be completely useless—

hoặc trở thành vật bỏ đi—

it all depends on whether we can harness the strange physics of matter

tùy thuộc vào khả năng chúng ta tận dụng các tính chất vật lý kỳ lạ của vật chất

at very, very small scales.

ở kích thước vi mô.

To have even a chance of doing so,

Muốn vậy, cần phải kiểm soát chặt chẽ môi trường xung quanh:

we have to control the environment precisely:

the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps,

sử dụng mặt bàn dày và đế chống rung

để giảm chấn động phát ra từ bước chân, thang máy lân cận và việc đóng mở cửa.

nearby elevators, and opening or closing doors.

The cylinder is a vacuum chamber,

Xi lanh là một buồng chân không, không chứa khí.

devoid of all the gases in air.

Inside the vacuum chamber is a smaller,

bên trong là một buồng nhỏ hơn, cực lạnh,

extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams.

chỉ những tia laser cực nhỏ mới có thể đi vào.

Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.

Trong cùng là các hạt siêu nhạy cấu thành máy tính lượng tử.

So what makes these particles worth the effort?

Điều gì khiến các vi hạt này đặc biệt đến vậy?

In theory, quantum computers could outstrip the computational limits

Về lý thuyết, khả năng tính toán của máy tính lượng tử

vượt xa máy tính cổ điển.

of classical computers.

Classical computers process data in the form of bits.

Máy tính cổ điển xử lý dữ liệu dưới dạng bit.

Each bit can switch between two states labeled zero and one.

Mỗi bit có thể được gán một trong hai giá trị: 0 hoặc 1.

A quantum computer uses something called a qubit,

Máy tính lượng tử sử dụng bit lượng tử (qubit),

which can switch between zero, one, and what’s called a superposition.

có thể nhận các giá trị 0, 1 và giá trị chồng chập (superposition).

While the qubit is in its superposition,

Bit lượng tử ở trạng thái chồng chập,

it has a lot more information than one or zero.

có thể nhận nhiều giá trị khác ngoài 0 và 1.

You can think of these positions as points on a sphere:

Hãy xem các giá trị này như các điểm trên quả cầu:

the north and south poles of the sphere represent one and zero.

cực Bắc và Nam biểu thị cho 1 và 0.

A bit can only switch between these two poles,

Giá trị một bit chỉ có thể chuyển đổi giữa hai cực,

but when a qubit is in its superposition,

còn bit lượng tử có thể nhận mọi giá trị trên quả cầu.

it can be at any point on the sphere.

We can’t locate it exactly—

Ta không thể xác định chính xác vị trí của nó,

the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one.

tại thời điểm đọc giá trị, bit lượng tử đã trả về trị số 0 hoặc 1.

But even though we can’t observe the qubit in its superposition,

Dù không thể xác định giá trị của bit lượng tử,

we can manipulate it to perform particular operations while in this state.

nhưng ta vẫn có thể điều khiển bit lượng tử

để thực hiện các tác vụ cụ thể.

So as a problem grows more complicated,

Để giải các bài toán phức tạp,

a classical computer needs correspondingly more bits to solve it,

máy tính cổ điển cần nhiều bit hơn,

while a quantum computer will theoretically be able to handle

còn về lý thuyết, máy tính lượng tử có thể xử lý

more and more complicated problems

nhiều bài toán phức tạp hơn

without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.

mà không cần nhiều bit lượng tử như máy tính cổ điển.

The unique properties of quantum computers

Sự độc đáo của máy tính lượng tử

bắt nguồn từ nguyên lý hoạt động của nguyên tử và hạ nguyên tử.

result from the behavior of atomic and subatomic particles.

These particles have quantum states,

Trạng thái lượng tử của các hạt này ứng với trạng thái của bit lượng tử.

which correspond to the state of the qubit.

Quantum states are incredibly fragile,

Trạng thái lượng tử không bền,

easily destroyed by temperature and pressure fluctuations,

dễ bị phá hủy khi có biến thiên nhiệt độ, áp suất, từ trường

stray electromagnetic fields,

and collisions with nearby particles.

và va chạm với các hạt gần đó.

Đây là lý do tại sao thiết lập máy tính lượng tử rất kỳ công.

That’s why quantum computers need such an elaborate set up.

It’s also why, for now,

Đó là cũng là lý do tại sao đến nay

the power of quantum computers remains largely theoretical.

máy tính lượng tử chủ yếu vẫn chỉ mạnh trên lý thuyết.

So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.

Đến giờ, cùng lúc, chúng ta chỉ kiểm soát được vài bit lượng tử ở cùng vị trí.

There are two key components involved

Hai nhân tố chính để tạo ra máy tính lượng tử:

in managing these fickle quantum states effectively:

the types of particles a quantum computer uses,

loại hạt dùng trong máy tính lượng tử,

and how it manipulates those particles.

và cách để kiểm soát chúng.

For now, there are two leading approaches:

Hiện tại, hai phương pháp được dùng nhiều nhất là:

trapped ions and superconducting qubits.

bẫy ion và bit lượng tử siêu dẫn.

A trapped ion quantum computer uses ions as its particles

Máy tính lượng tử bẫy ion

dùng laser để điều khiển ion.

and manipulates them with lasers.

The ions are housed in a trap made of electrical fields.

Các ion được đặt trong bẫy điện trường.

Inputs from the lasers tell the ions what operation to make

Dữ liệu từ nguồn laser cho ion biết các tác vụ cần thực hiện

by causing the qubit state to rotate on the sphere.

bằng cách thay đổi trạng thái bit lượng tử trên quả cầu.

To use a simplified example,

Lấy một ví dụ đơn giản để minh họa,

the lasers could input the question:

dữ liệu đầu vào có thể là câu hỏi:

what are the prime factors of 15?

tìm các thừa số nguyên tố của 15?

In response, the ions may release photons—

Đáp lại, ion giải phóng photon—

the state of the qubit determines whether the ion emits photons

Giá trị bit lượng tử cho biết ion có giải phóng photon không,

và bao nhiêu photon được giải phóng.

and how many photons it emits.

An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer:

Bộ phận xử lý ảnh sẽ thu lấy photon, xử lý chúng và cho ra kết quả:

3 and 5.

3 và 5.

Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way:

Máy tính lượng tử qubit siêu dẫn

cũng giải bài toán trên nhưng bằng một cách khác:

using a chip with electrical circuits instead of an ion trap.

sử dụng chip và mạch điện thay cho bẫy ion.

The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit.

Chuyển đổi trạng thái mạch điện sang trạng thái bit lượng tử.

They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves.

Dữ liệu điện tử được truyền dưới dạng vi sóng.

So: the qubits come from either ions or electrical circuits,

Vậy bit lượng tử hoạt động nhờ vào ion hoặc mạch điện,

acted on by either lasers or microwaves.

được điều khiển bằng laser hoặc vi sóng.

Each approach has advantages and disadvantages.

Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng.

Ions can be manipulated very precisely,

Ion có độ chính xác cao, tồn tại trong thời gian dài,

and they last a long time,

but as more ions are added to a trap,

nhưng bẫy càng chứa nhiều ion,

thì càng khó kiểm soát các ion riêng lẻ.

it becomes increasingly difficult to control each with precision.

We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations,

Chúng ta không thể bẫy đủ các ion để giải các bài toán phức tạp.

but one possible solution might be to connect many smaller traps

Giải pháp khả thi hơn là kết hợp nhiều bẫy ion nhỏ lại với nhau,

that communicate with each other via photons

dùng photon để trao đổi thông tin,

rather than trying to create one big trap.

chứ không tạo ra một cái bẫy khổng lồ.

Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions,

Trong khi đó, mạch siêu dẫn thực hiện tác vụ nhanh hơn bẫy ion,

and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer

và cũng dễ lắp thêm hơn.

than the number of ions.

But the circuits are also more fragile,

Nhưng mạch lại không bền và có tuổi thọ ngắn hơn.

and have a shorter overall lifespan.

And as quantum computers advance,

Trong quá trình phát triển,

they will still be subject to the environmental constraints

vẫn cần kiểm soát chặt chẽ môi trường xung quanh

needed to preserve quantum states.

để duy trì trạng thái lượng tử.

But in spite of all these obstacles,

Nhưng bất chấp những khó khăn này,

we’ve already succeeded at making computations

chúng ta đã thành công trong việc tạo ra chiếc máy tính

in a realm we can’t enter or even observe.

ngay cả khi ta không thể quan sát hay chạm đến các hạt lượng tử.