Nghiên cứu trước đây đã chứng minh, máy tính lượng tử có khả năng thực hiện ngay lập tức đồng thời nhiều phép tính với tốc độ nhanh hơn các nguyên tử trong vũ trụ. Khả năng này cho phép máy tính lượng tử giải quyết một số vấn đề nhanh hơn nhiều so với máy tính thường, ví dụ như giải mã.

Chức năng của máy tính lượng tử phụ thuộc vào bản chất lạ của vật lý lượng tử. Lĩnh vực này cho thấy các nguyên tử và những khối cơ bản tạo nên vũ trụ trên thực tế tồn tại ở các trạng thái “chồng chập”. Ví dụ, các nguyên tử có thể quay theo hai hướng ngược nhau tại cùng một thời điểm. 

Trạng thái chồng chập đó làm cho máy tính lượng tử về cơ bản khác máy tính truyền thống. Máy tính cổ điển thể hiện dữ liệu dưới dạng các số nhị phân 1 và 0 được gọi là "bit" và thông qua việc bật hoặc tắt công tắc là các bóng bán dẫn. Trái lại, máy tính lượng tử sử dụng bit lượng tử hay "qubit" ở trạng thái “chồng chập”, nghĩa là chúng bật và tắt cùng lúc. Điều này về cơ bản cho phép một qubit thực hiện đồng thời hai phép tính.

Trước đây, nhiều nhóm nghiên cứu đã tạo ra các máy tính lượng tử chức năng có kích thước nhỏ. Tuy nhiên, các thiết bị này thường chuyên được sử dụng chỉ để chạy một thuật toán hoặc chạy lần lượt một tập hợp thuật toán.

"Cho đến nay, chưa có bất kỳ nền tảng tính toán lượng tử nào có khả năng lập trình đưa các thuật toán mới vào hệ thống của họ. Chúng thường được thiết kế riêng để tác động đến một thuật toán cụ thể", Shantanu Debnath, trưởng nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Maryland nói.

Hiện nay, nhóm nghiên cứu đã phát triển được máy tính lượng tử đầu tiên hoàn toàn có thể lập trình và lập trình lại. Thiết bị mới được cấu thành từ năm qubit. Mỗi qubit là một ion hoặc một hạt tích điện bị giữ lại trong từ trường.

Các nhà khoa học có thể sử dụng laser để thao tác các ion - năm nguyên tử ytterbium - bằng cách truyền năng lượng và làm ảnh hưởng đến các tương tác giữa chúng. Theo đó, các nhà nghiên cứu có thể lập trình và lập trình lại máy tính lượng tử với một loạt thuật toán.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm thiết bị mới trên ba thuật toán mà các máy tính lượng tử có thể sử dụng như nghiên cứu trước đây đã chứng minh. Một thuật toán là Deutsch-Jozsa, thường được sử dụng chỉ cho các thí nghiệm về khả năng tính toán lượng tử. Một thuật toán khác là Bernstein-Vazirani, cũng có thể dò lỗi trong máy tính lượng tử. Cuối cùng, thuật toán biến đổi Fourier lượng tử là một yếu tố trong các ứng dụng giải mã của máy tính lượng tử.

Các thuật toán Deutsch-Jozsa và Bernstein-Vazirani đã chạy thành công với tỷ lệ tương ứng là 95% và 90% thời gian. Thuật toán biến đổi Fourier lượng tử mà các nhà nghiên cứu cho biết nằm trong số các tính toán lượng tử phức tạp nhất, có tỷ lệ thành công đạt 70%.

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu sẽ thử nghiệm nhiều thuật toán hơn cho máy tính lượng tử mới. Debnath cho rằng: "Chúng tôi muốn hệ thống này được sử dụng như một nền tảng thử nghiệm để kiểm tra những thách thức của hoạt động đa qubit và tìm cách để làm cho chúng tốt hơn”.