Máy tính lượng tử sắp trở thành hiện thực?

Theo Financial Times, cuộc chạy đua nhằm chế tạo một máy tính lượng tử khả dụng dường như đã gần đến đích. Một loạt các đột phá kỹ thuật về máy tính lượng tử gần đây đã khiến các công ty công nghệ hàng đầu cạnh tranh gay gắt để trở thành người đầu tiên biến những thí nghiệm phòng lab thành các hệ thống quy mô lớn, có thể hoạt động thực thụ.

Máy tính lượng tử mang tiềm năng giải quyết những vấn đề vượt quá khả năng của các máy tính hiện đại trong các lĩnh vực như khoa học vật liệu và trí tuệ nhân tạo.

GOOGLE VÀ IBM TIN RẰNG KỶ NGUYÊN MÁY TÍNH LƯỢNG TỬ THỰC SỰ SẮP BẮT ĐẦU

Vào tháng 6, IBM trở thành công ty mới nhất tuyên bố con đường của họ “rõ ràng đang hướng tới một cỗ máy hoàn chỉnh”, sau khi công bố bản thiết kế máy tính lượng tử đã bổ sung những mảnh ghép quan trọng còn thiếu từ các phiên bản trước đó. 

"Không còn cảm giác như một giấc mơ nữa”, Jay Gambetta, người đứng đầu chương trình lượng tử của IBM, chia sẻ. "Tôi thực sự cảm thấy chúng tôi đã giải mã được bí quyết và sẽ có thể chế tạo cỗ máy này vào cuối thập kỷ”.

Điều này đã làm nóng lên cuộc đua với Google, công ty đã vượt qua một trong những rào cản lớn nhất còn lại vào cuối năm ngoái và khẳng định họ cũng đang trên đà “xây dựng một máy tính lượng tử quy mô công nghiệp vào cuối thập kỷ”.

"Tất cả các thách thức kỹ thuật và khoa học còn lại đều có thể vượt qua", Julian Kelly, trưởng bộ phận phần cứng tại Google Quantum AI, khẳng định.

Tuy nhiên, ngay cả khi IBM và Google đã vượt qua một số vấn đề khoa học khó khăn nhất và chuẩn bị cho cuộc nước rút cuối cùng, các công ty vẫn phải đối mặt với hàng loạt vấn đề kỹ thuật nghe có vẻ thông thường hơn nhưng vẫn đầy thử thách để công nghiệp hóa công nghệ này.

BÀI TOÁN CHI PHÍ, VẬT LIỆU VÀ HIỆU CHỈNH LỖI

Những rào cản còn lại "dường như ít thách thức về mặt kỹ thuật hơn” song vẫn không hề đơn giản, theo Oskar Painter, giám đốc điều hành phần cứng lượng tử tại Amazon Web Services, Ông dự đoán một máy tính lượng tử hữu ích vẫn còn cách xa thế giới khoảng 15-30 năm nữa.

Một trong những vấn đề khó khăn nhất là tính bất ổn vốn có của qubit, vốn chỉ duy trì trạng thái lượng tử – khi chúng có thể thực hiện các tính toán hữu ích – trong những khoảng thời gian cực ngắn, chỉ vài phần giây. Điều này dẫn đến tình trạng không mạch lạc, hay "nhiễu," khi số lượng qubit tăng lên.

Một minh chứng rõ nét về giới hạn của việc mở rộng quy mô là khi IBM tăng số lượng qubit trong chip thử nghiệm Condor lên 433, dẫn đến "crosstalk" – sự can thiệp lẫn nhau giữa các thành phần.

Việc xếp chồng số lượng qubit lớn hơn như vậy "tạo ra một hiệu ứng kỳ lạ mà chúng ta không thể kiểm soát", Subodh Kulkarni, giám đốc điều hành của Rigetti Computing – một startup Mỹ cũng làm việc với qubit dựa trên siêu dẫn, công nghệ tương tự IBM và Google – cho biết. 

Tuy vậy, chuyên gia Gambetta từ IBM cho hay họ đã dự đoán được sự can thiệp trong chip Condor và đã chuyển sang một loại mới để liên kết qubit, giúp hệ thống ít nhạy cảm hơn với vấn đề này.

Trong các hệ thống thử nghiệm đầu tiên, qubit được "điều chỉnh" riêng lẻ để cải thiện hiệu suất. Tuy nhiên, độ phức tạp và chi phí khiến việc này không khả thi ở quy mô lớn hơn. Do đó, các công ty sẽ phải tìm kiếm những thành phần đáng tin cậy hơn – điều đòi hỏi cải thiện ổn định trong sản xuất, cũng như các đột phá mới về vật liệu. Google cho biết họ nhắm đến việc giảm chi phí thành phần xuống gấp 10 lần để đạt mục tiêu chi phí 1 tỷ USD cho một cỗ máy quy mô đầy đủ.

CUỘC ĐUA NÓNG LÊN GIỮA CÁC BIG TECH

Đến nay, chỉ Google mới chứng minh được một chip lượng tử có khả năng thực hiện sửa lỗi khi kích thước tăng lên. Theo Kelly, bất kỳ công ty nào cố gắng mở rộng mà không đạt đến điểm này sẽ kết thúc với "một cỗ máy rất đắt đỏ chỉ xuất ra nhiễu, tiêu tốn năng lượng và thời gian kỹ sư, mà không mang lại giá trị nào”.

Tuy nhiên, các công ty khác không hề chậm lại trong nỗ lực mở rộng, dù chưa ai đạt được mức của Google.

IBM cho biết họ đang tập trung vào thách thức quan trọng nhất: chứng minh khả năng vận hành hệ thống ở quy mô rất lớn, đồng thời đặt nghi vấn liệu cách tiếp cận sửa lỗi của Google có hoạt động trong hệ thống đầy đủ hay không.

Kỹ thuật mà Google sử dụng, gọi là surface code, hoạt động bằng cách kết nối mỗi qubit trong một lưới hai chiều với các qubit gần nhất. Điều này đòi hỏi một số lượng lớn qubit làm việc cùng nhau và yêu cầu hệ thống đạt 1 triệu qubit hoặc hơn để thực hiện các tính toán hữu ích.

Microsoft cho biết họ đã quyết định không theo đuổi thiết kế tương tự sau khi nhận định rằng việc xây dựng máy tính lượng tử 1 triệu qubit đặt ra quá nhiều thách thức kỹ thuật khác.

IBM đã thay đổi hướng sang một dạng sửa lỗi khác, gọi là low-density parity-check code, mà họ khẳng định sẽ yêu cầu ít hơn 90% số qubit so với Google. Tuy nhiên, điều này phụ thuộc vào các kết nối dài hơn giữa các qubit xa nhau – một thách thức kỹ thuật khó khăn khiến họ bị tụt hậu.

Thiết kế mới nhất của IBM dường như có khả năng sản xuất một cỗ máy quy mô lớn khả dụng, theo Mark Horvath, nhà phân tích tại Gartner, dù ông bổ sung rằng cách tiếp cận của họ vẫn chỉ tồn tại trên lý thuyết. 

Dù theo thiết kế nào, các công ty đều đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật chung khác. Đó là thách thức giảm bớt "mạng lưới dây rối rắm" trong các hệ thống lượng tử ban đầu bằng cách liên kết số lượng lớn thành phần vào các chip đơn lẻ, rồi kết nối nhiều chip thành các module. Ngoài ra, còn cần các tủ lạnh chuyên dụng lớn hơn để chứa hệ thống quy mô đầy đủ, vốn hoạt động ở nhiệt độ gần tuyệt đối không độ.

Sebastian Weidt, giám đốc điều hành tại Universal Quantum, cho biết các quyết định của chính phủ về việc hỗ trợ công nghệ nào trong giai đoạn này có lẽ sẽ đóng vai trò lớn. Hiện nay, Darpa – cơ quan nghiên cứu tiên tiến của Lầu Năm Góc – đã bắt đầu một nghiên cứu rộng rãi về các công ty lượng tử khác nhau, nhằm xác định công ty nào có thể mở rộng nhanh nhất đến kích thước thực tế.