Quantum computing đã quen với điện và ánh sáng: Bộ nhớ tiếp theo có thể là… âm thanh bị nhốt trong chip

Trong phần lớn kiến trúc quantum computing hiện nay, thông tin được điều khiển và truyền qua những hệ điện từ: dòng điện trong mạch superconducting, microwave trong resonator hoặc photon trong chip quang học. Một nhóm tại ETH Zurich đang thử thêm một thành phần khác vào danh sách đó: dao động cơ học bị giữ bên trong một tinh thể.

Nói đơn giản hơn, họ dùng “âm thanh” làm bộ nhớ lượng tử.

Trong công trình công bố trên Science, Yu Yang, Igor Kladarić và các đồng nghiệp trong nhóm của Yiwen Chu xây dựng một kiến trúc hybrid gồm một superconducting transmon qubit và một high-overtone bulk acoustic-wave resonator, hay HBAR. Transmon đảm nhiệm vai trò xử lý; các mode dao động cơ học trong resonator giữ trạng thái lượng tử như một dạng working memory.

Đây không chỉ là thí nghiệm cho thấy qubit có thể ghép với phonon. Nhóm đã dùng ba mode cơ học để thực hiện một bộ quantum gate phổ dụng, chạy quantum Fourier transform và một bài toán period finding đơn giản. Điều đó biến resonator cơ học từ một “kho chứa trạng thái” thành thành phần có thể tham gia trực tiếp vào một kiến trúc tính toán.

“Âm thanh” ở đây không phải tiếng có thể nghe được

Từ “âm thanh” dễ tạo một hình dung sai. Không có chiếc loa siêu nhỏ đang phát tiếng bên trong con chip, và những dao động này nằm rất xa dải nghe của con người.

Resonator của ETH Zurich chứa các phonon mode — những mode dao động lượng tử của vật rắn. Trong thí nghiệm, ba mode được sử dụng có tần số khoảng 5,064 GHz, 5,076 GHz và 5,088 GHz. Mỗi mode có thể chứa những trạng thái lượng tử khác nhau, và nhóm mã hóa trạng thái qubit vào các mức Fock |0⟩ và |1⟩ của từng mode.

Có thể hình dung HBAR như một vật thể có rất nhiều “cách rung” riêng biệt. Một dây đàn có thể rung ở nhiều harmonic; resonator cơ học cũng vậy, chỉ khác là ở đây các trạng thái rung được chuẩn bị, điều khiển và đọc ở cấp lượng tử.

Điểm hấp dẫn nằm ở mật độ của các mode. Sóng âm truyền chậm hơn sóng điện từ rất nhiều, nên ở cùng tần số, bước sóng cơ học ngắn hơn đáng kể. Điều đó cho phép nhiều mode dao động nằm trong một cấu trúc nhỏ hơn so với những resonator điện từ có chức năng tương tự.

Prototype của ETH Zurich chỉ khoảng 7,5 mm × 2,5 mm × 1 mm, tức chiều rộng cỡ một móng tay nhỏ. Bên trong nó, phần HBAR cung cấp nhiều mode cơ học trong khi transmon ở chip phía dưới đóng vai trò giao diện xử lý.

Một qubit làm “CPU”, nhiều mode rung làm “RAM”

Kiến trúc của nhóm cố tình mượn một ý tưởng rất quen thuộc từ máy tính cổ điển: tách xử lý khỏi bộ nhớ.

Trong laptop, CPU không cần giữ mọi bit đang sử dụng trong chính các transistor thực hiện phép tính. Dữ liệu tạm thời được đưa vào RAM và lấy ra khi cần. Nhiều quantum processor hiện nay chưa có sự phân chia rõ như vậy; qubit thường vừa giữ trạng thái, vừa tham gia trực tiếp vào gate operation.

Trong thiết kế của ETH Zurich, superconducting transmon đóng vai trò gần với CPU. Khi cần thao tác một trạng thái đang nằm trong phonon mode, hệ dùng tương tác cộng hưởng để thực hiện một iSWAP gate, chuyển trạng thái từ mode cơ học sang transmon. Transmon thực hiện phép quay hoặc tham gia tương tác với mode khác, sau đó trạng thái được ghi trở lại resonator.

Cường độ coupling transmon–phonon trong thiết bị là khoảng 296 kHz. Các phonon mode nằm cách nhau khoảng 12,6 MHz, đủ để transmon có thể được điều chỉnh tới từng mode riêng.

Điểm quan trọng là một transmon có thể lần lượt truy cập nhiều mode cơ học. Về nguyên tắc, thay vì cần một phần tử xử lý riêng cho mỗi ô nhớ, một processor có thể dùng chung cho một tập lớn mode trong resonator — gần với khái niệm quantum random-access memory hơn.

Phonon giữ trạng thái lâu hơn transmon trong thí nghiệm này

Bộ nhớ chỉ hữu ích nếu trạng thái không mất đi quá nhanh. Ở thiết bị thử nghiệm, transmon có relaxation time khoảng 30 microsecond và echo coherence time khoảng 23 microsecond.

Ba phonon mode được chọn có coherence time lần lượt khoảng 368, 250 và 127 microsecond. Mode tốt nhất vì thế giữ coherence lâu hơn transmon hơn một bậc độ lớn về thời gian.

Đây là lý do nhóm đặc biệt quan tâm tới việc để trạng thái “đỗ” trong HBAR khi nó không cần được xử lý. Trong các thuật toán có nhiều qubit phải chờ trong khi những qubit khác đang thực hiện gate, một memory có coherence dài có thể giảm lượng thông tin mất đi trong thời gian idle.

Nhưng lợi thế này không miễn phí. Mỗi lần chuyển trạng thái giữa phonon và transmon đều có sai số. Paper đo được một SWAP operation gây infidelity trung bình khoảng 1,71% trên ba mode. Vì kiến trúc dựa nhiều vào việc lấy dữ liệu ra rồi ghi trở lại, chất lượng của những lần chuyển này trở thành một giới hạn trực tiếp.

Không chỉ lưu trữ: hệ đã chạy được quantum gate và thuật toán

Điểm làm paper này khác một thí nghiệm quantum memory thông thường là nhóm không dừng ở việc lưu rồi lấy lại trạng thái.

Họ triển khai các single-qubit gate trên ba phonon mode và đo average Clifford gate fidelity khoảng 95,93%, 95,50% và 94,95%. Nhóm còn tạo controlled arbitrary-phase gate giữa transmon và phonon, một loại two-qubit operation quan trọng để xây dựng bộ gate phổ dụng.

Với controlled-phase π, fidelity sau khi tách ảnh hưởng của state preparation và measurement được báo cáo ở mức 89,2%. Các controlled-phase gate khác mà nhóm thử nghiệm đều vượt 85%.

Những con số này chưa ở mức cần thiết cho fault-tolerant quantum computing. Nhưng chúng đủ để chứng minh phonon mode không chỉ là bộ nhớ thụ động: chúng có thể được đưa vào một chuỗi gate có cấu trúc và giữ quan hệ pha cần cho tính toán lượng tử.

Nhóm sau đó dùng ba phonon mode để chạy quantum Fourier transform (QFT), phép biến đổi xuất hiện trong nhiều thuật toán lượng tử. QFT ba mode đạt process fidelity đo được khoảng 54,8% khi tính cả lỗi chuẩn bị và đo. Mô phỏng của nhóm cho thấy decoherence đóng góp khoảng 20% infidelity và SPAM error khoảng 11%; phần chênh còn lại được cho là liên quan tới calibration chưa hoàn hảo, các mode ngoài ý muốn và đơn giản hóa trong mô hình readout.

Con số 54,8% là lời nhắc quan trọng về trạng thái hiện tại của công nghệ. Kiến trúc hoạt động, nhưng chưa hoạt động với độ chính xác đủ để cạnh tranh với những quantum processor trưởng thành hơn.

Period finding không có nghĩa chiếc chip đã “chạy Shor”

Nhóm còn trình diễn quantum period finding, một subroutine nổi tiếng vì nó nằm trong thuật toán Shor. Họ sử dụng một hàm có chu kỳ r = 2 và thu được các peak đầu ra tương ứng với chu kỳ đó.

Đây là bài kiểm tra hợp lý cho kiến trúc vì period finding đòi hỏi chuẩn bị superposition, tương tác giữa các trạng thái và QFT. Nhưng nó không có nghĩa chip đã phân tích được số lớn bằng Shor nhanh hơn máy tính cổ điển.

Bài toán được chọn rất nhỏ và chủ yếu dùng để kiểm tra các thành phần của pipeline tính toán. Giá trị của thí nghiệm nằm ở chỗ một register được lưu trong dao động cơ học vẫn có thể tham gia một thuật toán nhiều bước, không phải ở quy mô bài toán mà nó giải quyết.

Vì sao không chỉ tiếp tục dùng resonator điện từ?

Quantum memory điện từ không phải công nghệ kém. Coplanar waveguide resonator và 3D cavity đã đạt coherence cao và được điều khiển rất chính xác. Vấn đề nằm ở kích thước và mật độ mode.

Các cấu trúc electromagnetic ở tần số microwave có thể chiếm diện tích hoặc thể tích đáng kể, nhất là nếu mỗi mode cần một resonator riêng. HBAR cung cấp một phổ mode dày trong một vật thể nhỏ, khiến nó hấp dẫn như một “ổ nhớ nhiều ô” cho superconducting circuit.

Phonon còn có một đặc tính thú vị khác: dao động cơ học có thể coupling với nhiều loại hệ vật lý khác, từ superconducting circuits tới spin và trong một số nền tảng là photon quang học. Điều đó khiến acoustic resonator trở thành ứng viên làm cầu nối trong các hệ quantum hybrid, nơi việc tính toán, lưu trữ và truyền thông không nhất thiết dùng cùng một loại excitation.

Tuy nhiên, việc thêm một modality mới cũng làm hệ phức tạp hơn. Transmon phải điều chỉnh chính xác tới từng phonon mode; mode ngoài ý muốn có thể gây coupling không mong muốn; việc đọc transmon mất thời gian trong khi phonon vẫn tiếp tục decohere; và mỗi SWAP bổ sung thêm lỗi.

Ba mode chưa phải quantum RAM quy mô lớn

Paper trình diễn hoạt động proof-of-principle trên ba phonon mode. HBAR thực tế chứa nhiều mode hơn, nhưng processor hiện bị giới hạn bởi số mode mà transmon có thể đưa vào cộng hưởng và điều khiển đủ sạch.

Nhóm ETH Zurich cho biết một hướng tiếp theo là chuyển sang thiết kế coplanar cho phép flux-tuning transmon nhanh hơn, từ đó truy cập nhiều mode hơn. Họ cũng muốn thêm Purcell filter trên chip để tăng tốc readout và giảm thời gian phonon phải ngồi chờ trong lúc processor được đo.

Một kiến trúc coplanar còn có thể ghép nhiều HBAR với nhau, mở đường cho hoạt động song song thay vì để một transmon tuần tự truy cập mọi ô nhớ.

Đó mới là bài kiểm tra quan trọng nhất của ý tưởng. Ưu thế lý thuyết của resonator cơ học nằm ở khả năng chứa nhiều mode trong một footprint nhỏ; nếu số mode sử dụng được chỉ dừng ở vài đơn vị, lợi thế đó chưa đủ mạnh. Hệ phải chứng minh rằng khi mở rộng số ô nhớ, gate fidelity và khả năng địa chỉ hóa từng mode không giảm quá nhanh.

Âm thanh có thể trở thành một linh kiện, không phải thay thế mọi thứ

Nghiên cứu của ETH Zurich không đề xuất một quantum computer “chạy hoàn toàn bằng âm thanh”. Transmon superconducting vẫn chịu trách nhiệm điều khiển và xử lý nhanh; microwave vẫn cần để lái mạch; readout vẫn dựa vào hệ điện từ.

Điều thay đổi là cách phân công nhiệm vụ. Thay vì bắt một loại phần cứng làm mọi thứ, kiến trúc hybrid dùng điểm mạnh của từng hệ: transmon cho nonlinear operation và gate nhanh, còn resonator cơ học cho nhiều mode lưu trữ có coherence dài trong một thể tích nhỏ.

Nếu cách tiếp cận này scale được, “âm thanh bị nhốt trong chip” có thể trở thành một thành phần giống RAM hơn là CPU của quantum computer tương lai. Đó cũng là ý nghĩa rộng hơn của hybrid quantum engineering: không nhất thiết phải tìm một qubit hoàn hảo cho mọi nhiệm vụ, mà có thể xây một hệ trong đó điện, ánh sáng, spin và dao động cơ học mỗi thứ đảm nhận phần việc mà nó làm tốt nhất.

Nguồn chính: Yu Yang, Igor Kladarić và cộng sự, “Mechanical resonator–based quantum computing”, Science 392, 972–976 (2026), DOI 10.1126/science.aef4139; ETH Zurich Department of Physics; ETH Zurich Corporate Communications.