Buzz
Nhật Bản tiếp tục khẳng định vị thế dẫn đầu trong lĩnh vực điện toán hiệu suất cao, tạo tiền đề cho những bước đột phá trong y học, khoa học vật liệu và nhiều ngành công nghiệp khác trong tương lai.
Nhật Bản đã đạt được một cột mốc quan trọng trong ngành điện toán với sự ra đời của hệ thống siêu máy tính lượng tử lai đầu tiên trên toàn cầu. Đây là thành quả của việc kết hợp siêu máy tính Fugaku, một trong những hệ thống mạnh nhất hiện nay, với máy tính lượng tử Reimei. Sự kết hợp này không chỉ mở ra hướng đi mới trong xử lý dữ liệu và tính toán hiệu suất cao mà còn mang đến cơ hội đột phá trong nghiên cứu khoa học, đặc biệt là lĩnh vực sinh học và vi sinh vật học.
Siêu máy tính Fugaku từ lâu đã nổi tiếng là một trong những hệ thống máy tính mạnh nhất thế giới, có khả năng xử lý hàng trăm triệu tỷ phép tính mỗi giây. Được phát triển bởi Viện nghiên cứu RIKEN và công ty Fujitsu, Fugaku đã đóng góp lớn vào nhiều nghiên cứu khoa học, từ mô hình hóa khí hậu đến phân tích dịch bệnh.
Dù mạnh mẽ, các hệ thống điện toán cổ điển vẫn gặp hạn chế khi giải quyết các bài toán phức tạp liên quan đến mô phỏng lượng tử, tối ưu hóa hoặc nghiên cứu vật liệu mới. Đây là lúc máy tính lượng tử thể hiện ưu thế. Với khả năng tính toán song song ở cấp độ lượng tử, máy tính lượng tử có thể giải quyết những bài toán mà hệ thống cổ điển cần hàng trăm, thậm chí hàng ngàn năm mới hoàn thành.
Việc kết hợp Fugaku và Reimei giúp tận dụng ưu điểm của cả hai hệ thống, nâng cao hiệu suất tính toán đáng kể. Trong khi siêu máy tính cổ điển xử lý các tác vụ đòi hỏi độ chính xác cao trên quy mô lớn, máy tính lượng tử lại vượt trội trong giải quyết bài toán tối ưu hóa, mô phỏng phân tử và tính toán liên quan đến cơ học lượng tử. Sự kết hợp này mở ra kỷ nguyên mới trong nghiên cứu khoa học và công nghiệp, từ phát triển dược phẩm, mô phỏng phản ứng hóa học đến nghiên cứu trí tuệ nhân tạo và khoa học vật liệu.
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của hệ thống siêu máy tính lượng tử lai này là nghiên cứu vi sinh vật ở cấp độ đơn tế bào. Các nhà khoa học đã kết hợp phương pháp hình ảnh MERFISH với kính hiển vi giãn nở để quan sát chi tiết cách vi khuẩn phản ứng với môi trường. MERFISH là kỹ thuật tiên tiến giúp lập bản đồ biểu hiện gen trên quy mô lớn, cho phép theo dõi cách các gen được kích hoạt trong từng điều kiện khác nhau. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc hiểu rõ hơn về cơ chế kháng kháng sinh của vi khuẩn cũng như cách chúng thích nghi với môi trường sống.
Vi khuẩn, dù là loại có lợi trong cơ thể người hay những chủng gây bệnh nguy hiểm, đều có khả năng điều chỉnh biểu hiện gen để thích nghi với môi trường. Việc theo dõi cách chúng thay đổi gen trong từng tình huống cụ thể có thể mở ra hướng đi mới trong phát triển phương pháp điều trị và kiểm soát dịch bệnh hiệu quả hơn.
Tuy nhiên, nghiên cứu này gặp nhiều khó khăn do RNA của vi khuẩn có kích thước cực nhỏ và được đóng gói chặt chẽ trong tế bào. Trước đây, các nhà khoa học chỉ có thể phân tích vi khuẩn thông qua mẫu trung bình của cả quần thể, tức là dữ liệu tổng hợp từ hàng triệu tế bào thay vì từng tế bào riêng lẻ.
Nhờ sự hỗ trợ của kính hiển vi giãn nở, các nhà nghiên cứu đã khắc phục được thách thức này. Bằng cách nhúng mẫu vi khuẩn vào một loại hydrogel đặc biệt và phóng to mẫu lên 50 đến 1000 lần, họ có thể quan sát từng RNA riêng lẻ trong tế bào, điều chưa từng thực hiện được trước đây. Qua đó, họ phát hiện ra rằng vi khuẩn sở hữu những chiến lược thích nghi vô cùng tinh vi. Ví dụ, khi thiếu glucose, vi khuẩn E. coli không sử dụng ngay tất cả nguồn năng lượng thay thế mà kích hoạt từng con đường trao đổi chất theo một trình tự cụ thể. Việc theo dõi sự thay đổi biểu hiện gen theo thời gian đã giúp nhóm nghiên cứu giải mã chiến lược sinh tồn này.
Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng vi khuẩn có thể điều chỉnh hoạt động RNA dựa trên vị trí vật lý trong môi trường sống. Ví dụ, trong đường ruột người, cùng một loài vi khuẩn có thể kích hoạt các bộ gen khác nhau tùy thuộc vào vị trí cụ thể trong ruột. Điều này giải thích tại sao vi khuẩn có thể tồn tại trong nhiều môi trường khác nhau mà không bị tiêu diệt. Hiểu rõ cơ chế này có thể dẫn đến những đột phá trong y học, đặc biệt là điều trị các bệnh liên quan đến hệ vi sinh đường ruột.
Ngoài ứng dụng trong sinh học, hệ thống siêu máy tính lượng tử lai còn mở ra nhiều triển vọng trong các lĩnh vực khác. Trong ngành dược, nó có thể mô phỏng phản ứng giữa phân tử thuốc và protein, giúp rút ngắn thời gian phát triển thuốc. Trong khoa học vật liệu, nó có thể dự đoán tính chất của vật liệu mới trước khi chế tạo. Thậm chí, trong trí tuệ nhân tạo, sự kết hợp giữa máy tính cổ điển và lượng tử có thể phát triển các thuật toán học sâu mạnh mẽ hơn, đưa AI lên tầm cao mới.
