Sau nhiều thập kỷ nghiên cứu và phát triển công nghệ, một startup bí ẩn đã công bố máy tính lượng tử 256 qubit, khiến các chuyên gia ngỡ ngàng.

Với sự hoàn thiện trong công nghệ lượng tử sau hàng thập kỷ, startup hi vọng sẽ đạt được sức mạnh của 1.000 qubit trong vòng 2 năm tới.

Cuối cùng, các nhà khoa học tại Đại học Harvard và Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã tìm ra một ứng dụng đột phá của máy tính lượng tử: tạo ra một hình ảnh GIF biểu diễn nhân vật Mario đang chạy, được tạo ra từ các đơn vị lưu trữ qubit.

Các qubit (bit lượng tử) cũng có thể được sử dụng để mô tả trò chơi Space Invader hoặc trò chơi xếp hình Tetris, thậm chí là tạo ra bất kỳ hình ảnh nào theo ý muốn của bạn.

Loạt hình ảnh GIF này được tạo ra bởi QuEra Computing, một startup công nghệ ít được biết đến có trụ sở tại Boston, Mỹ. Đáp lại sự ngỡ ngàng của các công ty công nghệ khác, QuEra công bố khả năng lập trình của phần mềm giả lập lượng tử mạnh mẽ với 256 qubit - đây là một cỗ máy tính lượng tử được sử dụng để giải quyết một số vấn đề cụ thể.

Cỗ máy của QuEra là đột phá mới nhất trong lĩnh vực nghiên cứu còn đang phát triển. Máy tính lượng tử càng có nhiều qubit, nó càng có khả năng chứa và xử lý nhiều thông tin hơn. Sau mỗi bước tiến, chúng ta lại chứng kiến sự ra đời của một cỗ máy tính lượng tử với số lượng qubit ngày càng lớn.

Năm 2019, Google công bố hệ thống 53 qubit, khẳng định ưu thế của máy tính lượng tử - nơi mà máy tính lượng tử có khả năng giải quyết những vấn đề mà máy tính cổ điển không thể. Trong cùng năm, IBM cũng giới thiệu một siêu máy tính mạnh với 53 qubit.

Năm 2020, IonQ ra mắt máy tính lượng tử mạnh mẽ với 32 qubit, tuyên bố là “máy tính lượng tử mạnh nhất thế giới”. Vào tháng 11 năm 2021, IBM ra mắt chip xử lý lượng tử mạnh với 127 qubit, một phát hiện trong thiết kế và chế tạo. Phó chủ tịch IBM, Jay Gambetta, nhấn mạnh rằng việc máy hoạt động mới là điều đáng chú ý nhất.

Và bây giờ, startup QuEra tuyên bố họ đã phát triển một thiết bị có số lượng qubit lớn hơn nhiều so với các máy tính trước đó, đạt đến con số 256 qubit.

Mục tiêu chính của máy tính lượng tử không phải là trong lĩnh vực game, mà là để có khả năng xử lý cao hơn máy tính truyền thống trong việc giải quyết các vấn đề phức tạp trong nhiều lĩnh vực. Nhiều chuyên gia tin rằng khi máy tính lượng tử đạt được sức mạnh đủ lớn, nó sẽ thay đổi cách thức hoạt động trong ngành dược phẩm, tài chính, khoa học thần kinh và trí tuệ nhân tạo. Dự đoán cho biết để đạt được mục tiêu này, công nghệ lượng tử sẽ cần hàng nghìn qubit.

Số lượng qubit vẫn chưa phải là yếu tố chính trong việc phát triển máy tính lượng tử.

QuEra tin tưởng vào khả năng dễ lập trình của thiết bị mới của họ, với mỗi qubit tương ứng với một nguyên tử độc lập được đặt trong một môi trường cực lạnh. Sắp xếp vị trí của các nguyên tử sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng chùm tia laser, một công cụ được các nhà khoa học gọi là “nhíp quang học”. Việc sắp xếp các nguyên tử này tương đương với việc lập trình máy tính lượng tử, từ đó điều chỉnh máy tính sao cho phù hợp với yêu cầu cụ thể, thậm chí thiết bị còn cho phép điều chỉnh trong thời gian thực trong khi máy đang hoạt động.

“Mỗi vấn đề phức tạp đều đòi hỏi sự điều chỉnh của các nguyên tử trong máy tính”, Alex Keesling, CEO của QuEra và cũng là một trong những người đồng sáng chế công nghệ mới, chia sẻ. “Điều này là đặc biệt trong cỗ máy của chúng tôi, mỗi lần hoạt động chỉ mất vài giây, chúng tôi có thể điều chỉnh vị trí và kết nối của các qubit một cách tự do”.

Ưu điểm của nguyên tử

Cỗ máy tính lượng tử của QuEra đang ngày càng hoàn thiện với sự phát triển của công nghệ, dự án này đã đạt được thành công dưới sự hướng dẫn của Mikhail Lukin và Markus Greiner từ Harvard, cùng với Vladan Vuletić và Dirk Englund từ MIT. Năm 2017, thiết bị thử nghiệm của nhóm chỉ có 51 qubit; năm 2020, họ công bố cỗ máy có 256 qubit lần đầu tiên.

Nhóm nghiên cứu kỳ vọng sẽ đạt được sức mạnh 1.000 qubit trong vòng 2 năm tới, và với hy vọng không cần phải thay đổi quá nhiều, cỗ máy có thể mở rộng quy mô lên đến vài trăm ngàn qubit.

Nhờ vào nền tảng độc đáo mà QuEra sở hữu, bao gồm cách hệ thống được lắp ráp, phương pháp mã hóa và xử lý dữ liệu, cỗ máy tính lượng tử đã có những tiến bộ đáng kể như vậy.

Trái với các cỗ máy tính lượng tử của Google và IBM sử dụng qubit siêu dẫn, và IonQ sử dụng các ion bị kiềm, QuEra sử dụng chuỗi nguyên tử, tạo thành qubit với tính lượng tử cao. Thiết bị này sử dụng xung laser để tương tác với các nguyên tử, kích thích chúng lên trạng thái năng lượng nhất định - “trạng thái Rydberg”, được mô tả lần đầu tiên bởi nhà vật lý người Thụy Điển Johannes Rydberg vào năm 1888 - để thực hiện logic lượng tử mạnh mẽ và có độ chính xác cao.

Cách tiếp cận nghiên cứu máy tính lượng tử dựa trên nguyên lý của Rydberg đã tiêu tốn không ít giấy mực của giới khoa học suốt hàng thập kỷ, và chỉ trở nên hiệu quả nhờ vào những đột phá mới, như tiến bộ trong công nghệ laser và ánh sáng lượng tử.

“Dồi dào một cách vô lý”

Khi nhà khoa học máy tính Umesh Vazirani, giám đốc Trung tâm Điện toán Lượng tử Berkeley, đọc báo cáo của Mikhail Lukin lần đầu tiên, ông cảm thấy “dồi dào một cách vô lý” - cách tiếp cận vấn đề này thật không thể tin được, nhưng đồng thời ông cũng nghi ngờ nhóm nghiên cứu từ Harvard và MIT đang mơ mộng quá mức. “Chúng tôi đã đề xuất những hướng nghiên cứu cụ thể, như sử dụng chất siêu dẫn hoặc bẫy ion, cả hai công nghệ đều mất nhiều năm để hoàn thiện”, ông chia sẻ. “Liệu có nên xem xét các phương pháp khác không?”.

Ông Vazirani liên lạc với John Preskill, nhà vật lý tại Viện Công nghệ California và giám đốc của Viện Thông tin và Vật chất Lượng tử, và nhận được sự đồng tình. Công nghệ mới thật sự đầy tiềm năng.

Ông Preskill nhận định nền tảng nguyên lý Rydberg rất thú vị, bởi chúng tạo ra những qubit tương tác với mức độ liên kết mạnh. Ông cho rằng đó chính là “ma thuật lượng tử”, và “hứng thú với tiềm năng để mở rộng quy mô cỗ máy trong khoảng thời gian ngắn, để khám phá những điều bất ngờ”.

Ngoài việc nghiên cứu và phát triển công nghệ từ vật liệu và tương tác lượng tử, nhà nghiên cứu Lukin cho biết đây là “ví dụ đầu tiên rõ ràng về ưu điểm của lượng tử, kể cả trong các ứng dụng khoa học”, và nhóm nghiên cứu cũng đang phát triển thuật toán lượng tử để tối ưu hóa khả năng tính toán.

Trong danh sách nhà đầu tư cho dự án QuEra, còn có Rakuten, một công ty internet, thương mại điện tử và cung cấp dịch vụ 4G, 5G của Nhật Bản. “Công nghệ mới có tiềm năng giải quyết nhiều vấn đề về tối ưu trong vận chuyển hàng hóa, phân tích thị trường chứng khoán, công nghệ tìm kiếm trên mạng hay đề xuất theo sở thích”, Takuya Kitagawa, chuyên gia dữ liệu của Rakuten nhận định.

Tuy nhiên, ông Preskill không tin rằng máy tính lượng tử của QuEra có thể vượt qua thuật toán truyền thống trong tối ưu hóa. Là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ “ưu thế lượng tử” - thời điểm máy tính lượng tử có thể làm điều mà máy tính truyền thống không thể, ông nói: “Chúng ta không có lý lẽ lý thuyết nào cho thấy lợi ích của máy tính lượng tử trong tối ưu hóa. Nhưng đây là một lĩnh vực xứng đáng để nghiên cứu”.

Ông Preskill tin tưởng vào kế hoạch của QuEra, là mở rộng ứng dụng của máy tính lượng tử trong nghiên cứu và phát triển. Khi có một số dự án thử nghiệm ứng dụng máy tính lượng tử theo ý mình, chúng ta sẽ cùng nhau khám phá ra những lĩnh vực phù hợp với hệ thống mới. Chỉ mong rằng người dùng sẽ không quá mê trò chơi như xếp hình, Mario, hay Doom trên máy tính lượng tử.

Theo MIT Technology Review