Chip lượng tử tạo rối lượng tử giữa sáu mode âm học và truyền trạng thái này giữa các bộ cộng hưởng

Hai bộ cộng hưởng âm học cùng chia sẻ một bước tiến lượng tử

Nhóm nghiên cứu do Dian Tan dẫn đầu tại Học viện Lượng tử Quốc tế Thâm Quyến, phối hợp với Đại học Stuttgart và các tổ chức khác, đã tạo ra trạng thái vướng víu lượng tử gồm hai, bốn và sáu mode âm học trên một chip lai. Nhóm cũng truyền các trạng thái vướng víu gồm hai và bốn mode giữa hai bộ cộng hưởng cơ học riêng biệt, qua đó chứng minh khả năng vừa chuẩn bị vừa truyền tải thông tin lượng tử được mang bởi dao động.

Kết quả nổi bật nhất trong việc chuẩn bị trạng thái vướng víu là độ trung thực 0.912 ± 0.003 đối với hai mode. Độ trung thực đo mức độ tương đồng giữa trạng thái lượng tử thực nghiệm và trạng thái mong muốn; giá trị 1 biểu thị sự trùng khớp hoàn hảo. Các giá trị tương ứng là 0.790 ± 0.003 đối với bốn mode và 0.570 ± 0.001 đối với sáu mode.

Nghiên cứu đăng trên tạp chí Science, với tiêu đề Tạo và phân phối có tính xác định trạng thái vướng víu đa thể thực sự trong các bộ cộng hưởng âm học vĩ mô, có ngày xuất bản là 15 tháng 10 năm 2026. Viện Thâm Quyến công bố công trình vào ngày 16 tháng 10.

Thí nghiệm kết hợp ba nhiệm vụ cần có ở một hệ lượng tử âm học quy mô lớn hơn: tạo các trạng thái lượng tử dùng chung, truyền chúng giữa các đơn vị phần cứng và đo đạc chúng. Trạng thái tham vọng nhất của nhóm gồm sáu mode âm học, còn các thí nghiệm truyền trạng thái gồm hai và bốn mode.

Dao động mang thông tin lượng tử như thế nào

Chip sử dụng phonon, đơn vị lượng tử của dao động cơ học. Phonon đóng vai trò trong dao động tương tự như photon trong ánh sáng: nó mô tả một lượng năng lượng rời rạc trong hệ lượng tử.

Các thiết bị cơ học là bộ cộng hưởng âm học khối họa âm cao, hay HBAR. Mỗi bộ hỗ trợ nhiều mode âm học, tức các kiểu dao động riêng biệt ở những tần số khác nhau. Một nhạc cụ có thể phát nhiều nốt; tương tự, một bộ cộng hưởng cũng hỗ trợ nhiều kiểu dao động, dù việc điều khiển trạng thái lượng tử của chúng đòi hỏi thiết bị chính xác hơn nhiều.

HBAR thu hút các nhà nghiên cứu vì kết hợp được nhiều mode, thời gian lưu trữ tương đối dài và khả năng tích hợp lên chip. Nhiều mode trong một thiết bị có thể cung cấp nhiều vị trí để mã hóa thông tin lượng tử, giảm nhu cầu sử dụng một linh kiện cơ học riêng cho mỗi mode.

Điều gì tạo nên trạng thái vướng víu thực sự?

Tan và các đồng nghiệp đã tạo ra trạng thái vướng víu đa thể thực sự. Nói đơn giản, các kết nối lượng tử thuộc về toàn bộ nhóm mode tham gia. Không thể chia trạng thái thành các nhóm nhỏ độc lập mà vẫn giữ được toàn bộ trạng thái vướng víu.

Ví dụ, sáu mode được sắp xếp thành ba cặp vướng víu độc lập sẽ có cấu trúc khác với trạng thái vướng víu thực sự được chia sẻ giữa cả sáu mode. Trạng thái sau cung cấp cho các nhà nghiên cứu một tài nguyên lượng tử tập thể, có thể hỗ trợ các phép toán trải rộng trên nhiều phần của bộ xử lý hoặc mạng lưới.

Tan mô tả kết nối dùng chung này là một tài nguyên cho các mạng lượng tử có nhiều nút và cho xử lý thông tin lượng tử phân tán. Một nút là một đơn vị riêng lẻ có thể lưu trữ hoặc xử lý thông tin lượng tử. Xử lý phân tán là việc chia một tác vụ cho các đơn vị được kết nối với nhau.

Các tác giả bài báo mô tả thành tựu thực nghiệm trong phần tóm tắt:

Chúng tôi báo cáo việc tạo và truyền trạng thái vướng víu đa mode thực sự giữa hai bộ cộng hưởng âm học đa mode.

Do đó, phần cứng này giải quyết cả việc tạo trạng thái tập thể lẫn khả năng truyền trạng thái đó giữa các thiết bị cơ học riêng biệt. Đây là những yêu cầu khác nhau để kết nối các thành phần lượng tử âm học thành một hệ thống lớn hơn.

Một qubit siêu dẫn điều khiển nhiều mode

Các nhà nghiên cứu ghép các bộ cộng hưởng âm học với các qubit siêu dẫn có thể điều chỉnh. Qubit là một đơn vị thông tin lượng tử có thể điều khiển. Trong thí nghiệm này, các qubit cung cấp phương tiện để chuẩn bị, thao tác và đo các trạng thái lượng tử cơ học.

Nhóm nghiên cứu thiết kế cẩn thận sự phân bố tần số của các mode âm học cũng như tương tác giữa qubit và phonon. Nhờ đó, một qubit siêu dẫn có thể tương tác mạnh với nhiều mode cơ học, giúp các nhà nghiên cứu tiếp cận nhiều kiểu dao động thông qua một phần tử điều khiển dùng chung.

Ghép mạnh nghĩa là tương tác đủ lớn để trao đổi thông tin lượng tử có kiểm soát trước khi tổn hao và các nhiễu loạn không mong muốn lấn át quá trình. Việc lựa chọn và điều khiển nhiều mode là yếu tố cốt lõi để biến các kiểu dao động phong phú của bộ cộng hưởng thành tài nguyên lượng tử hữu ích.

Kiến trúc này kết hợp nhiều loại phần cứng lượng tử: bộ cộng hưởng cơ học lưu trữ trạng thái âm học, qubit siêu dẫn điều khiển chúng, còn bộ ghép lượng tử có thể điều chỉnh kết nối các phần của mạch. Việc tích hợp các thành phần này lên chip là nền tảng cho thiết kế mô-đun mà nhóm đề xuất.

Các con số về quá trình chuẩn bị cho thấy điều gì

Bài báo trên Science báo cáo các độ trung thực sau đây khi chuẩn bị những trạng thái vướng víu mục tiêu:

• Hai mode: 0.912 ± 0.003, tương đương độ trung thực 91.2%.
• Bốn mode: 0.790 ± 0.003, tương đương độ trung thực 79.0%.
• Sáu mode: 0.570 ± 0.001, tương đương độ trung thực 57.0%.

Mức giảm cho thấy độ phức tạp gia tăng phải trả giá như thế nào. Khi số mode tham gia tăng từ hai lên sáu, độ trung thực đo được giảm 34.2 điểm phần trăm. Nhiều mode hơn mở rộng quy mô của trạng thái lượng tử dùng chung, đồng thời làm tăng yêu cầu đối với việc chuẩn bị và điều khiển.

Độ trung thực mô tả mức độ giống nhau giữa trạng thái đo được và trạng thái mục tiêu. Sai số đi kèm mỗi giá trị thể hiện mức độ bất định được báo cáo trong phép đo đó. Các nhà nghiên cứu xác định cả ba trạng thái đã chuẩn bị đều thực sự vướng víu.

Các tác giả cũng mô tả phương pháp của họ là có tính xác định. Điều này có nghĩa là quá trình chuẩn bị được thiết kế để diễn ra theo một chuỗi có kiểm soát, thay vì dựa vào việc chọn ra đôi lần ngẫu nhiên thành công. Vận hành có tính xác định và độ trung thực phản ánh những khía cạnh hiệu năng khác nhau: một chuỗi chuẩn bị được kiểm soát vẫn có thể tạo ra trạng thái chưa hoàn hảo.

Truyền trạng thái vướng víu giữa các nút cơ học

Thí nghiệm truyền trạng thái sử dụng hai bộ cộng hưởng HBAR riêng biệt, tích hợp với các qubit siêu dẫn và một bộ ghép có thể điều chỉnh trong cùng kiến trúc chip lai. Nhóm đã trao đổi thông tin lượng tử giữa các bộ cộng hưởng và truyền trạng thái vướng víu từ nút cơ học này sang nút kia.

Đối với các trạng thái gồm hai mode, độ trung thực truyền được báo cáo là 0.785 ± 0.006. Với các trạng thái gồm bốn mode, giá trị này là 0.601 ± 0.006. Tính theo phần trăm, các giá trị lần lượt là 78.5% và 60.1%.

Kết quả truyền đưa thí nghiệm vượt ra ngoài việc chuẩn bị trạng thái vướng víu bên trong phần cứng âm học. Chúng cho thấy một phương thức chuyển trạng thái lượng tử dùng chung đến bộ cộng hưởng khác, một thao tác cần thiết khi các nút khác nhau phải lưu trữ hoặc xử lý những phần khác nhau của một phép tính.

Các thử nghiệm truyền được báo cáo gồm hai và bốn mode; mở rộng việc truyền lên sáu mode là nhiệm vụ tiếp theo. Kết nối đã được chứng minh nằm giữa các bộ cộng hưởng trên cùng một chip, còn mạng lớn hơn được đề xuất sẽ hình thành bằng cách bổ sung thêm các đơn vị phần cứng được kết nối.

Hai qubit đo một trạng thái âm học lớn hơn

Các nhà nghiên cứu cũng phát triển phương pháp chụp cắt lớp trạng thái lượng tử, tái sử dụng qubit siêu dẫn trên nhiều mode âm học. Chụp cắt lớp tái dựng trạng thái lượng tử từ nhiều phép đo thực hiện trên các lần chuẩn bị thí nghiệm lặp lại.

Bước này quan trọng vì tạo ra một chuỗi điều khiển mới chỉ là một phần của thí nghiệm. Các nhà nghiên cứu cần những phép đo cho thấy trạng thái thực sự được tạo ra, bao gồm cả tương quan giữa các mode khác nhau.

Nhóm chỉ sử dụng hai qubit siêu dẫn để chụp cắt lớp các trạng thái phonon vướng víu đa mode. Bằng cách tái sử dụng các phương tiện đo đó trên nhiều mode, họ không cần bố trí một qubit đo riêng cho từng mode âm học.

Tan mô tả kết quả này là công trình đặc trưng hóa thực nghiệm lớn nhất đối với các trạng thái phonon đa mode từng được báo cáo trên một nền tảng âm học lượng tử vào thời điểm đó. Nhận định này nói về quy mô tái dựng trạng thái. Đóng góp thực tiễn là một phương pháp đo tận dụng hiệu quả hơn số qubit hạn chế khi hệ thống âm học mở rộng.

Vì sao cách bố trí chip quan trọng

Kiến trúc chip hai chiều của nhóm giải quyết một giới hạn vật lý khi mở rộng các thí nghiệm này. Các thiết kế truyền thống dựa vào hốc vi sóng ba chiều gặp phải những đòi hỏi về không gian và kỹ thuật khi các nhà nghiên cứu tìm cách kết nối thêm linh kiện.

Tan cho biết phương thức dùng chip mang lại tính mô-đun, khả năng tích hợp và dư địa mở rộng. Bố trí được đề xuất sẽ ghép từng qubit siêu dẫn với các bộ cộng hưởng cơ học riêng biệt, sau đó liên kết các qubit thông qua những bộ ghép có thể điều khiển.

Mỗi bộ cộng hưởng được bổ sung có thể đóng góp nhiều mode âm học. Vì vậy, thiết kế này mở ra hai hướng phát triển: kết nối thêm các nút bộ cộng hưởng và sử dụng thêm nhiều mode trong số các mode mà mỗi bộ cộng hưởng hỗ trợ.

Các số liệu về quá trình chuẩn bị và truyền cũng cho thấy những việc vẫn cần thực hiện. Độ trung thực giảm khi số mode tham gia tăng, còn độ trung thực truyền được chứng minh thấp hơn các giá trị tương ứng trong quá trình chuẩn bị. Một bộ xử lý lớn hơn cần duy trì được các trạng thái hữu ích trong khi tăng cả số mode lẫn số kết nối.

Từ thí nghiệm này đến một mạng lưới lớn hơn

Thành tựu trước mắt là một nền tảng trong phòng thí nghiệm kết hợp trạng thái vướng víu đa mode, truyền trạng thái giữa các nút cơ học và tái dựng trạng thái. Các bước đã được chứng minh và đề xuất gồm:

• Ngày 15 tháng 10 năm 2026: Bài báo trên Science ghi nhận việc chuẩn bị các trạng thái vướng víu thực sự gồm hai, bốn và sáu mode, cùng việc truyền trạng thái gồm hai và bốn mode.
• Ngày 16 tháng 10 năm 2026: Viện Thâm Quyến công bố kết quả hợp tác và mô tả phương pháp điều khiển, đo đạc của nhóm.
• Giai đoạn tiếp theo được đề xuất: Bổ sung thêm bộ cộng hưởng HBAR và qubit siêu dẫn, kết nối qua các bộ ghép có thể điều khiển, để mở rộng các tài nguyên vướng víu hiện có.

Nhóm chưa đưa ra mốc thời gian cho một mạng lưới lớn hơn. Đề xuất của họ dựa trực tiếp trên phần cứng đã được chứng minh: dùng bộ cộng hưởng làm các mô-đun, các mode âm học làm tài nguyên lượng tử và mạch siêu dẫn làm phương tiện điều khiển, kết nối chúng.

Đóng góp này có ý nghĩa cụ thể đối với nghiên cứu điện toán lượng tử. Thí nghiệm cho thấy nhiều mode dao động có thể chia sẻ một trạng thái lượng tử thực sự, trạng thái vướng víu có thể được truyền giữa các bộ cộng hưởng và hai qubit có thể giúp tái dựng một trạng thái âm học lớn hơn. Để mở rộng phương pháp này, những yêu cầu tiếp theo là cải thiện độ trung thực và kết nối thêm nhiều nút.

Điểm chính

• Nhóm của Dian Tan cùng các cộng tác viên quốc tế đã chuẩn bị trạng thái vướng víu thực sự gồm hai, bốn và sáu mode âm học.
• Độ trung thực khi chuẩn bị lần lượt là 91.2%, 79.0% và 57.0%.
• Các trạng thái vướng víu gồm hai và bốn mode được truyền giữa những bộ cộng hưởng riêng biệt, với độ trung thực lần lượt là 78.5% và 60.1%.
• Hai qubit siêu dẫn được tái sử dụng để tái dựng các trạng thái phonon đa mode thông qua phương pháp chụp cắt lớp.
• Nhóm đề xuất mở rộng kiến trúc chip bằng cách bổ sung bộ cộng hưởng, qubit và các kết nối có thể điều khiển.