Những tiến bộ ở Google, Intel và một số các công ty tìm kiếm đã chỉ ra rằng các máy tính có sức mạnh không thể tưởng tượng trước đây cuối cùng cũng đạt được.

Một trong những phòng thí nghiệm tại QuTech, một viện nghiên cứu của Hà Lan chịu trách nhiệm thực hiện một số công trình tiên tiến nhất trên thế giới về điện toán lượng tử, nhưng nó trông giống như một cơ sở thử nghiệm hệ thống HVAC. Ẩn mình trong một góc yên tĩnh của tòa nhà ứng dụng khoa học tại Đại học Công nghệ Delft, không gian nơi đây hoàn toàn vắng bóng người. Âm thanh vù vù tạo ra từ các sóng cộng hưởng như thể được bao vây bởi một bầy châu chấu điện, nó chằng chịt với những mớ ống cách điện, dây điện, và phần cứng điều khiển nhô lên từ các khối trụ tròn lớn màu xanh đặt trên ba và bốn chân.

Bên trong các khối trụ tròn màu xanh – chính là các tủ lạnh siêu tăng áp – những thứ cơ học lượng tử ma quái đang xảy ra ở nơi các dây nano, chất bán dẫn và chất siêu dẫn gặp nhau ở điểm chỉ một ly trên độ không tuyệt đối. Tại đây, dưới các giới hạn vật lý, các vật liệu rắn tạo ra cái gọi là các lượng tử năng lượng mà hành vi bất thường của chúng mang lại cho chúng tiềm năng sẽ được sử dụng như các thành phần chính của các máy tính lượng tử. Và phòng thí nghiệm này nói riêng đã thực hiện những bước tiến lớn để cuối cùng biến những máy tính đó trở thành hiện thực. Trong một vài năm, chúng đã có thể ghi lại sự mã hóa, ngành khoa học vật liệu, nghiên cứu dược phẩm và trí tuệ nhân tạo.

Hàng năm, điện toán lượng tử xuất hiện như một ứng cử viên cho danh sách các Công nghệ đột phá này và hàng năm chúng tôi đều có kết luận tương tự là Điện toán điện tử vẫn chưa xứng đáng góp mặt vào Danh sách các công nghệ đột phá của năm. Thật vậy, trong nhiều năm, các qubit (bit lượng tử) và các máy tính lượng tử tồn tại chủ yếu trên giấy tờ, hoặc trong các thí nghiệm mỏng manh để xác định tính khả thi của chúng (Công ty D-Wave Systems của Canada hiện đã bán các loại máy mà họ gọi là các máy tính lượng tử được một thời gian, sử dụng một công nghệ đặc biệt gọi là ủ lượng tử. Cách tiếp cận này, theo những người còn hoài nghi, có thể áp dụng tốt nhất cho một bộ tính toán còn bị rất hạn chế và có thể không có lợi thế về tốc độ so với các hệ thống cổ điển). Tuy nhiên, năm nay, một loạt các thiết kế lý thuyết trước đây đang thực sự được phát triển. Điều mới mẻ trong năm nay là mức tài trợ doanh nghiệp tăng lên – từ Google, IBM, Intel, và Microsoft, và một số các doanh nghiệp khác, cho cả việc nghiên cứu và phát triển các loại công nghệ cần thiết để xây dựng một máy làm việc: các mạch vi điện tử, mạch phức tạp và phần mềm điều khiển.

Dự án tại Delft đứng đầu bởi Leo Kouwenhoven, một giáo sư được Microsoft thuê gần đây, được thực hiện nhằm khắc phục một trong những trở ngại lâu đời nhất đối với việc phát triển các máy tính lượng tử: thực tế rằng các qubit, đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử, là cực kỳ nhạy cảm đối với tiếng ồn và do đó gây lỗi. Để các qubit trở nên hữu ích, chúng phải thoả mãn được cả sự chồng chất lượng tử (một đặc tính giống như tồn tại hai trạng thái vật lý đồng thời) và sự vướng víu lượng tử (một hiện tượng mà các cặp qubit được liên kết sao cho những gì xảy ra với qubit kia có thể ảnh hưởng ngay đến qubit còn lại, ngay cả khi chúng bị tách rời về mặt vật lý). Những điều kiện nhạy cảm này dễ bị tác động bởi nhiễu dù nhỏ nhất, như các rung động hoặc điện trường dao động.

Tủ lạnh màu xanh này hạ nhiệt độ xuống mức chỉ trên độ không tuyệt đối, làm cho các thí nghiệm lượng tử có thể thực hiện trên những con chip bé xíu chứa bên trong nó. Trong các bức ảnh tiếp theo là các cảnh từ phòng thí nghiệm Delft, nơi các thí nghiệm được thực hiện.

Nguồn: MIT Technology Review

Con người từ lâu đã vật lộn với vấn đề này trong nỗ lực phát triển các máy tính lượng tử, vốn có thể giúp giải quyết các vấn đề phức tạp đến mức chúng vượt quá khả năng của các máy tính tốt nhất hiện nay. Nhưng bây giờ Kouwenhoven và các đồng nghiệp của ông tin rằng các qubit mà họ đang tạo ra có thể vốn dĩ đã được bảo vệ – ổn định như các nút thắt trong sợi dây thừng. Kouwenhoven nói rằng “bất chấp việc biến dạng hoặc việc kéo giãn sợi dây, các nút thắt vẫn tồn tại” và “bạn không thể thay đổi thông tin”. Tính chất ổn định như vậy sẽ cho phép các nhà nghiên cứu thiết kế quy mô lớn các máy tính lượng tử bằng cách giảm đáng kể công suất tính toán cần thiết cho việc sửa lỗi.

Công trình của Kouwenhoven dựa vào việc vận dụng các lượng tử năng lượng độc đáo mà thậm chí không được phát hiện cho đến năm 2012. Và nó chỉ là một trong những bước đi ấn tượng đang được tiến hành. Cũng tại phòng thí nghiệm này, Lieven Vandersypen, được Intel hỗ trợ, đang chỉ ra cách thức các mạch lượng tử có thể được sản xuất trên các bánh bán dẫn silic truyền thống.

Máy tính lượng tử là gì?

Tại trung tâm của điện toán lượng tử là bit lượng tử, hay qubit, một đơn vị cơ bản của thông tin tương tự như các số 0 và 1 được biểu thị bằng các bóng bán dẫn trong máy tính của bạn. Các qubit có nhiều quyền lực hơn so với các bit cổ điển vì hai đặc tính duy nhất: chúng có thể biểu thị đồng thời cả số 1 và 0; và chúng có thể ảnh hưởng đến các qubit khác thông qua một hiện tượng được gọi là sự vướng víu lượng tử. Điều đó cho phép các máy tính lượng tử nhanh chóng có các câu trả lời đúng trong một số loại phép tính nhất định.

Các máy tính lượng tử sẽ đặc biệt phù hợp với việc phân tích thành thừa số các số lớn (giúp dễ dàng giải mã nhiều kỹ thuật mã hóa ngày nay và có thể cung cấp các thay thế không thể bẻ khóa được), giải quyết các vấn đề tối ưu hóa phức tạp và thực hiện các thuật toán học máy. Và sẽ còn có những ứng dụng mà con người hiện vẫn chưa thể hình dung ra.

Các máy tính lượng tử thiết thực

Đột phá?

Việc tạo ra các qubit ổn định, đơn vị cơ bản của các máy tính lượng tử.

Tại sao cần quan tâm?

Các máy tính lượng tử có thể chạy các chương trình trí tuệ nhân tạo, xử lý các mô phỏng phức tạp và giải quyết các vấn đề nhanh hơn theo cấp số nhân. Chúng thậm chí có thể tạo ra mã hóa không thể bẻ khóa được.

Đối tượng sử dụng chính?

– QuTech

– Intel

– Microsoft

– Google

– IBM

Tính sẵn có?

Trong vòng 4 đến 5 năm nữa

Tuy nhiên, chẳng mấy chốc, chúng ta có thể có ý tưởng tốt hơn về những gì chúng có thể làm. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã phát triển được các máy tính 5 qubit hoàn toàn có thể lập trình và các hệ thống thử nghiệm khoảng 10-20 qubit mỏng manh hơn. Không có loại máy nào có khả năng nhiều như thế. Tuy nhiên, người chịu trách nhiệm đứng đầu lĩnh vực phát triển điện toán lượng tử của Google, ông Harmut Neven, cho biết nhóm của ông đang có mục tiêu xây dựng hệ thống 49 qubit trong vòng một năm kể từ thời điểm bây giờ. Mục tiêu về một hệ thống khoảng 50 qubit không phải là mục tiêu tùy ý. Đó là ngưỡng, được gọi là ngôi vương lượng tử, mà qua ngưỡng này, không có siêu máy tính cổ điển nào có khả năng xử lý tăng trưởng luỹ tiến bộ nhớ và băng thông liên lạc cần thiết để mô phỏng đối tác lượng tử của nó. Nói cách khác, các hệ thống siêu máy tính hàng đầu có thể làm tất cả những điều tương tự mà các máy tính lượng tử khoảng 5-20 qubit có thể thực hiện, nhưng ở mức khoảng 50 qubit thì điều này là không thể.

Tất cả các nhà nghiên cứu lượng tử doanh nghiệp và học thuật mà tôi đã nói chuyện đều đồng ý rằng ở ngưỡng khoảng từ 30 đến 100 qubit – đặc biệt các qubit đủ ổn định để thực hiện một loạt các tính toán với thời lượng dài hơn – là ngưỡng mà các máy tính lượng tử bắt đầu có giá trị thương mại. Và khoảng 2-5 năm sau kể từ thời điểm bây giờ, những hệ thống như vậy có thể sẽ được bán trên thị trường. Cuối cùng, hãy kỳ vọng về các hệ thống 100.000 qubit mà sẽ làm phá vỡ các ngành công nghiệp vật liệu, hóa học và dược phẩm bằng cách sử dụng các mô hình phân tử chính xác để tìm ra các vật liệu mới và dược phẩm mới. Và một hệ thống triệu-qubit-vật lý mà các ứng dụng điện toán nói chung của nó vẫn còn khó khăn để tìm hiểu? Hệ thống này có thể hiểu được, Neven nói, “trong vòng 10 năm”.

Thanh Huyền

Lược dịch theo MIT Technology Review


Tác giả Russ Juskalian: Nhà báo, phóng viên với nhiều năm kinh nghiệm làm việc tại MIT Technology Review.