Dù chỉ có 8 qubit, ít hơn nhiều so với các vi mạch lượng tử của Google và IBM, chip Majorana 1 của Microsoft vẫn được xem là một cuộc cách mạng trong lĩnh vực điện toán lượng tử.

Mặc dù chỉ có một vài qubit, chip lượng tử mới của Microsoft lại được coi là bước đột phá mang tính cách mạng, đưa nhân loại tiến gần hơn đến cuộc cách mạng điện toán lượng tử.

Tuần trước, Microsoft đã công bố một thành tựu quan trọng trong điện toán lượng tử với việc ra mắt Majorana 1, bộ vi xử lý lượng tử đầu tiên được xây dựng trên một trạng thái vật chất mới mang tên "topoconductors". Đây là kết quả của gần 20 năm nghiên cứu miệt mài về hạt Majorana, loại hạt lý thuyết được đề xuất từ năm 1937 nhưng từ lâu vẫn bị coi là không thể khai thác.

Dù được Microsoft quảng bá là một bước đột phá quan trọng trong điện toán lượng tử, Majorana 1 lại chỉ có 8 qubit, ít hơn rất nhiều so với 105 qubit của chip Willow do Google công bố vài tháng trước. Thậm chí, vào tháng 12 năm 2023, IBM đã cho ra mắt một chip lượng tử với 1.121 qubit siêu dẫn – một kỷ lục vẫn chưa ai vượt qua.

Với số lượng qubit ít ỏi so với các chip lượng tử khác, tại sao Majorana 1 lại được Microsoft vinh danh là một tiến bộ quan trọng trong lĩnh vực điện toán lượng tử như vậy?

Cách tiếp cận chú trọng vào chất lượng thay vì số lượng

Khác với các máy tính truyền thống lưu trữ thông tin dưới dạng bit nhị phân 0 và 1, máy tính lượng tử sử dụng qubit (quantum bit) để mã hóa thông tin. Nhờ vào các quy luật cơ học lượng tử, một qubit có thể tồn tại đồng thời ở cả trạng thái 0 và 1, tạo ra trạng thái chồng chất (superposition). Chính vì thế, máy tính lượng tử có thể thực hiện nhiều phép toán song song và nhanh chóng hơn rất nhiều so với máy tính cổ điển, đặc biệt trong các tác vụ liên quan đến mã hóa và mô phỏng các hệ thống tự nhiên.

Tuy nhiên, việc chế tạo qubit ổn định và điều khiển chúng lại vô cùng phức tạp vì trạng thái lượng tử dễ bị phá vỡ khi tương tác với môi trường bên ngoài. Để giải quyết vấn đề này, nhiều nhóm nghiên cứu đã tập trung phát triển các qubit “chống lỗi”, và đây chính là một trong những đặc điểm nổi bật của Majorana 1. Microsoft đã khám phá ra một trạng thái vật chất mới – ngoài ba trạng thái vật chất cơ bản là rắn, lỏng và khí.

Satya Nadella, CEO của Microsoft, chia sẻ rằng sau gần 20 năm nghiên cứu, công ty đã tạo ra “topoconductors”, một vật liệu đặc biệt giúp xây dựng qubit ổn định hơn. Nhờ vào đó, chip Majorana 1 được thiết kế với “trung tâm topological”, tạo ra nền tảng vững chắc cho việc xử lý lượng tử với độ chính xác cao.

Các vật liệu topoconductors được chế tạo “atom by atom” thông qua sự kết hợp giữa indium arsenide và nhôm, đảm bảo qubit có độ ổn định vượt trội. Điều này có nghĩa là, mặc dù số lượng qubit ít hơn so với các đối thủ, nhưng qubit của Microsoft lại có độ tin cậy cao hơn và ít bị nhiễu, từ đó giảm thiểu nhu cầu sử dụng các biện pháp hiệu chỉnh lỗi phức tạp thường thấy trong các hệ thống lượng tử khác.

Bộ xử lý Majorana 1 sử dụng hạt Majorana – loại hạt lý thuyết được dự đoán lần đầu tiên vào năm 1937 bởi nhà vật lý Ettore Majorana. Những hạt này không tồn tại tự nhiên mà chỉ xuất hiện trong các chất siêu dẫn topological. Microsoft đã tận dụng đặc tính “braided” (đan xen) của các hạt Majorana để xây dựng qubit. Khi các hạt này được “đan xen” chính xác, chúng trở nên rất bền vững với các tác động từ môi trường, từ đó giảm thiểu đáng kể khả năng mắc lỗi của qubit.

Về lý thuyết, máy tính lượng tử sử dụng hạt Majorana có thể tránh được hoàn toàn các lỗi mà các thiết kế khác gặp phải. Với các nền tảng lượng tử hiện nay, hàng trăm qubit vật lý mới có thể tạo ra một qubit logic đáng tin cậy. Ngược lại, mỗi qubit Majorana đã tự độc lập và ổn định, vì vậy hệ thống có thể mở rộng một cách dễ dàng và hiệu quả hơn nhiều.

Với kiến trúc qubit cơ bản ổn định và khả năng mở rộng tuyệt vời, Majorana 1 có thể chứa tới 1 triệu qubit trên một con chip nhỏ gọn, chỉ bằng lòng bàn tay – con số mơ ước của các nhà nghiên cứu điện toán lượng tử hiện nay. Một con chip như vậy sẽ đủ khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ quan trọng của điện toán lượng tử như phá giải các lớp mật mã, thiết kế dược phẩm và vật liệu mới.

Sự kết hợp giữa lượng tử và trí tuệ nhân tạo

Một yếu tố quan trọng khác mà ông Satya Nadella nhấn mạnh là tiềm năng của việc kết hợp công nghệ lượng tử với trí tuệ nhân tạo (AI). Trong khi AI đã được ứng dụng rộng rãi nhờ vào khả năng xử lý dữ liệu lớn và học máy, thì lượng tử mở ra cơ hội xử lý những bài toán tối ưu hóa và mô phỏng vật lý phức tạp với khả năng vượt trội.

Ông Nadella đề xuất rằng, nhờ sự hỗ trợ của lượng tử, AI có thể được cải tiến đáng kể thông qua việc tạo ra dữ liệu tổng hợp (synthetic data) phục vụ cho việc huấn luyện các mô hình học máy, từ đó mở ra những khả năng nghiên cứu mới trong các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật. Đây chính là một phần trong tầm nhìn chiến lược của Microsoft, khi công ty không chỉ tập trung vào việc cải tiến lượng tử mà còn kết hợp với các công nghệ tiên tiến khác để thúc đẩy sự đổi mới toàn diện.

Bước đột phá này còn được công nhận bởi DARPA, cơ quan công nghệ quốc phòng tiên tiến của Mỹ, khi họ chọn Microsoft là một trong hai công ty tham gia chương trình chứng minh năng lực điện toán lượng tử quy mô lớn. Theo Phó Chủ tịch Zulfi Alam, đây là chương trình nghiên cứu kéo dài nhất (17 năm) trong lịch sử Microsoft, đã mang lại kết quả không chỉ xuất sắc mà còn rất thực tế, hứa hẹn sẽ thay đổi cách thức triển khai điện toán lượng tử trong tương lai.

Khả năng mở rộng và độ ổn định của qubit topological trong chip Majorana 1 còn tạo ra tiềm năng thương mại khổng lồ, giúp việc chế tạo máy tính lượng tử trở nên dễ dàng và dễ vận hành hơn, thay thế cho các hệ thống cồng kềnh hiện nay phải sử dụng nhiều hệ thống khác để duy trì sự tồn tại của qubit. Đây cũng là lý do Microsoft tin rằng Majorana 1 sẽ là bước đi quan trọng để xây dựng máy tính lượng tử hữu ích trong vài năm tới, thay vì phải đợi hàng thập kỷ như dự đoán của CEO NVIDIA, ông Jensen Huang.