Cuối cùng, các nhà vật lý học tại Đại học Harvard và Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) vừa tìm ra ứng dụng đột phá của máy tính lượng tử: là một cái ảnh GIF trình diễn hình ảnh nhân vật Mario đang chạy, được cấu thành từ đơn vị lưu trữ qubit.
Các qubit (bit lượng tử) còn có thể được dùng để mô tả game Space Invader, hoặc game xếp hình Tetris, hay thực tế, là bất cứ hình gì bạn mong muốn.
Các hình động tạo bởi máy tính lượng tử. Nguồn: MIT.
Loạt hình GIF này được sản xuất bởi QuEra Computing, một startup công nghệ ít danh tiếng gốc Boston, Mỹ. Trước 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 256 qubit - nó là một cỗ máy tính lượng tử được dùng để giải quyết một số vấn đề cụ thể.
Cỗ máy của QuEra là đột phá mới nhất của ngành nghiên cứu còn trong trứng nước. Máy tính lượng tử càng nhiều qubit, nó sẽ càng chứa và xử lý được nhiều thông tin. Sau mỗi đột phá, chúng ta lại chứng kiến sự xuất hiện của một cỗ máy tính lượng tử mang nhiều qubit hơn.
Năm 2019, Google công bố hệ thống 53 qubit, đồng thời khẳng định ưu thế lượng tử của mình - tức là vị thế mà tại đó, máy tính lượng tử giải quyết được vấn đề mà máy tính cổ điển phải bó tay. Nhưng cũng ngay trong năm 2019, IBM cũng công bố một siêu máy tính mạnh 53 qubit.
Năm 2020, IonQ công bố máy tính lượng tử mạnh 32 qubit, đồng thời tuyên bố đây là "máy tính lượng tử mạnh nhất thế giới". Tháng 11 năm 2021, IBM khởi động chip xử lý lượng tử mạnh 127 qubit, mô tả nó là "một phép màu nhỏ trong thiết kế chế tạo". Phó chủ tịch IBM, Jay Gambetta khẳng định việc cỗ máy hoạt động được mới là tin tức đáng chú ý nhất.
Và giờ, startup QuEra tuyên bố họ tạo ra một thiết bị sở hữu số qubit cao hơn hẳn những cỗ máy tiền nhiệm, đạt tới 256 qubit.
Phòng thí nghiệm của QuEra.
Mục đích tối thượng của máy tính lượng tử không phải ngành công nghiệp game, mà đạt sức xử lý cao hơn máy tính truyền thống trong giải quyết vấn đề, gỡ bỏ những nút thắt hóc búa trong nhiều lĩnh vực cần tính toán. Nhiều chuyên gia đặt niềm tin vào thời điểm máy tính lượng tử đủ sức mạnh thay đổi ngành dược phẩm, tài chính, khoa học thần kinh và AI. Ước đoán cho hay sức mạnh lượng tử phải đạt hàng ngàn qubit để đạt được mục tiêu lớn.
Số lượng qubit vẫn chưa phải yếu tố tiên quyết trong chế tạo máy tính lượng tử.
QeEra còn tự tin vào khả năng dễ lập trình của thiết bị mới, khi cài đặt mỗi qubit tương ứng với một nguyên tử độc lập đặt trong môi trường cực lạnh. Điều chỉnh vị trí các nguyên tử sẽ là một chùm các tia laser, công cụ được các nhà vật lý học gọi là nhíp quang học. Hành động sắp xếp nguyên tử tương đương với lập trình máy tính lượng tử, qua đó tinh chỉnh máy sao cho phù hợp yêu cầu thực tế, thậm chí thiết bị còn cho phép tinh chỉnh trong thời gian thực ngay trong lúc máy đang tính.
"Các vấn đề hóc búa khác nhau sẽ cần tới những tùy chỉnh nguyên tử trong máy tính khác nhau", Alex Keesling, CEO QuEra và cũng là đồng tác giả sáng chế công nghệ mới, cho hay. "Đây là một trong những thứ độc đáo trong cỗ máy của chúng tôi, mỗi khi vận hành máy với tốc độ vài giây một lần, chúng tôi có thể toàn quyền điều chỉnh vị trí và khả năng kết nối của các qubit".
Lợi thế của nguyên tử
Cỗ máy của QuEra dần hoàn thiện khi công nghệ ngày một tiên tiến theo thời gian, dự án thành công dưới sự dẫn dắt của Mikhail Lukin và Markus Greiner công tác tại Harvard, bên cạnh Vladan Vuletić và Dirk Englund tại MIT. Năm 2017, thiết bị thử nghiệm của nhóm mới chỉ có 51 qubit; năm 2020, họ lần đầu tiên công bố cỗ máy 256 qubit.
Đội nghiên cứu dự kiến họ sẽ đạt sức mạnh 1.000 qubit sau 2 năm, và với hy vọng không phải thay đổi hệ thống quá nhiều, cỗ máy sẽ có thể được tăng quy mô tới hơn vài trăm ngàn qubit.
Dự án được đầu tư nhiều chục triệu USD đã kết trái.
Chính nhờ nền tảng độc đáo mà QuEra sở hữu, chính là cách hệ thống được lắp ráp, đồng thời là phương pháp mã hóa và xử lý dữ liệu, cỗ máy tính lượng tử có thể đạt được những bước nhảy vọt ấn tượng đến vậy.
Trong khi các cỗ máy tính lượng tử của Google và IBM sử dụng qubit siêu dẫn, và IonQ sử dụng các ion bị kiềm tỏa, QuEra sử dụng một chuỗi các nguyên tử, xếp thành qubit với tính mạch lạc cao (có thể hiểu là tính lượng tử cao). Thiết bị sử dụng các xung laser để khiến các nguyên tử tương tác, kích thích chúng lên tới một trạng thái năng lượng nhất định - "trạng thái Rydberg", lần đầu được mô tả bởi nhà vật lý học người Thụy Điển Johannes Rydberg vào năm 1888 - để thực hiện được logic lượng tử một cách mạnh mẽ và đạt tính chính xác cao.
Phương pháp nghiên cứu máy tính lượng tử dựa trên nguyên lý của Rydberg làm tốn giấy mực của giới khoa học suốt nhiều thập kỷ, và chỉ hiệu quả nhờ những đột phá mới, đơn cử như tiến bộ trong công nghệ laser và lượng tử ánh sáng.
"Dồi dào một cách vô lý"
Khi nhà khoa học máy tính Umesh Vazirani, giám đốc Trung tâm Điện toán Lượng tử Berkeley lần đầu tiên đọc báo cáo của Mikhail Lukin, ông cảm thấy "dồi dào một cách vô lý" - cách tiếp cận vấn đề này quả thực phi thường, nhưng đồng thời Vazirani cũng nghi ngờ nhóm nghiên cứu từ Harvard và MIT đang đắm chìm trong mộng tưởng. "Chúng tôi đã đề ra những chặng nghiên cứu cụ thể, như chất siêu dẫn hay bẫy ion, cả hai công nghệ đều mất nhiều năm để hoàn thiện", giám đốc nói. "Liệu có nên tính tới những cách làm khác?".
Ông Vazirani nối liên lạc với John Preskill, nhà vật lý học công tác tại Viện Công nghệ California và giám đốc Viện Thông tin và Vật chất Lượng tử, và nhận được lời đồng tình. Công nghệ mới quả thực giàu sức sống.
Hình Mario tạo thành từ qubit.
Ông Preskill nhận định nền tảng nguyên lý Rydberg rất thú vị, bởi lẽ chúng sản sinh ra những qubit tương tác có liên kết rối mạnh. Ông cho rằng đó chính bản chất của "ma thuật lượng tử", đồng thời "hứng thú với tiềm năng tăng quy mô cỗ máy chỉ trong khoảng thời gian ngắn, để khám phá ra những thứ bất ngờ".
Bên cạnh hoạt động tìm hiểu và chế tạo công nghệ từ vật liệu và tương tác lượng tử, nhà nghiên cứu Lukin nhận định đây là "ví dụ hữu ích đầu tiên của lợi thế lượng tử, bao gồm cả các ứng dụng khoa học", đồng thời khẳng định nhóm nghiên cứu đang viết thuật toán lượng tử để tối ưu khả năng tính toán.
Danh sách nhà đầu tư cho dự án QuEra còn có công ty Nhật Bản Rakuten, một nhà cung cấp internet, thương mại điện tử và cung ứng dịch vụ 4G, 5G. "Công nghệ mới có tiềm năng giải quyết nhiều vấn đề về tối ưu trong dẫn lối hàng hóa, phân tích thị trường chứng khoán, công nghệ tìm kiếm trên mạng hay gợi ý theo sở thích", Takuya Kitagawa, chuyên gia dữ liệu của Rakuten nhận định.
Nhưng ông Preskill không tin máy tính lượng tử của QuEra có thể vượt mặt thuật toán truyền thống trong tối ưu hóa. Với tư cách người đầu tiên sử dụng định nghĩa "ưu thế lượng tử" - thời điểm máy tính lượng tử có thể làm điều máy tính truyền thống bó tay, ông nói: "Chúng ta không có ý kiến dựa trên lý thuyết nào cho thấy lợi thế của máy tính lượng tử trong tối ưu hóa. Nhưng chắc chắn đây là lĩnh vực đáng để nghiên cứu".
Ông Preskill đặt nhiều niềm tin 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 đông thử nghiệm ứng dụng máy tính lượng tử theo ý mình, chúng ta sẽ có thể cùng nhau tìm ra những lĩnh vực phù hợp với hệ thống mới. Chỉ mong người dùng sẽ không quá đam mê xếp hình, Mario, hay Doom trên máy tính lượng tử.