Tuần qua, Microsoft đã công bố một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực điện toán lượng tử với việc ra mắt Majorana 1, bộ vi xử lý lượng tử đầu tiên được chế tạo dựa trên một trạng thái vật chất mới gọi là "topoconductors". Đây là kết quả sau gần 20 năm nghiên cứu không mệt mỏi về hạt Majorana, loại hạt lý thuyết được đề xuất từ năm 1937 nhưng lâu nay vẫn bị coi là bất khả thi để khai thác.
Mặc dù được Microsoft gọi là một bước đột phá quan trọng của điện toán lượng tử, nhưng Majorana 1 lại chỉ có 8 qubit, ít hơn nhiều so với con số 105 qubit của chip lượng tử Willow được Google công bố vài tháng trước đây. Trước đó, vào tháng 12 năm 2023, hãng IBM còn từng ra mắt một chip lượng tử khác có đến 1.121 qubit siêu dẫn – một kỷ lục chưa ai phá được.
Trong khi chỉ có số lượng qubit nhỏ hơn nhiều so với chip lượng tử của các công ty khác, tại sao chip Majorana 1 lại được Microsoft ca ngợi là một bước tiến quan trọng của lĩnh vực điện toán lượng tử như vậy?
Cách tiếp cận hướng đến chất lượng thay vì số lượng
Khác với máy tính thông thường 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. Một qubit, nhờ các quy luật cơ học lượng tử, có thể tồn tại đồng thời ở cả trạng thái 0 và 1, hay còn gọi là trạng thái chồng chất (superposition). Nhờ đó, máy tính lượng tử có thể thực hiện nhiều phép tính cùng lúc và nhanh hơn rất nhiều so với máy tính cổ điển, đặc biệt là các tác vụ liên quan đến mã hóa và mô phỏng hệ thống tự nhiên.
Tuy nhiên, việc chế tạo các qubit ổn định và điều khiển chúng lại vô cùng khó khăn vì trạng thái lượng tử rất dễ bị phá vỡ bởi tương tác với môi trường bên ngoài. Để khắc phục vấn đề này, nhiều nhóm nghiên cứu đã tập trung vào việc tạo ra các qubit “chống lỗi” và đây chính là một trong các đặc điểm nổi bật nhất của Majorana 1. Để làm được điều này, Microsoft khai phá một trạng thái chất hoàn toàn mới – ngoài ba trạng thái vật chất truyền thống là rắn, lỏng và khí.
Ông Satya Nadella, CEO của Microsoft, cho biết rằng sau gần 20 năm nghiên cứu, công ty đã tạo ra “topoconductors”, một loại vật liệu độc đáo cho phép xây dựng các qubit ổn định hơn. Nhờ đó, chip Majorana 1 được chế tạo dựa trên “trung tâm topological”, tạo nền tảng cho việc xử lý lượng tử với độ chính xác cao hơn.
Các vật liệu topoconductors được tạo ra “atom by atom” với sự kết hợp giữa indium arsenide và nhôm, đảm bảo các qubit có tính ổn định vượt trội. Điều này đồng nghĩa với việc dù số lượng qubit ít hơn so với các đối thủ, nhưng các qubit này có độ tin cậy cao hơn và ít bị nhiễu, qua đó giảm nhu cầu về các biện pháp hiệu chỉnh lỗi phức tạp thường phải áp dụng trong các hệ thống lượng tử khác.
Bộ xử lý Majorana 1 sử dụng hạt Majorana – những hạt lý thuyết được dự đoán từ năm 1937 bởi nhà vật lý Ettore Majorana. Các 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” một cách chính xác, chúng trở nên rất bền vững với các tác động từ môi trường, do đó khả năng mắc lỗi của qubit được giảm thiểu đáng kể.
Về mặt lý thuyết, một máy tính lượng tử sử dụng hạt Majorana có thể hoàn toàn tránh được các lỗi vốn là vấn đề nan giải của các thiết kế khác. Với các nền tảng lượng tử hiện nay, cần tới hàng trăm qubit vật lý mới tạo ra được một qubit logic đáng tin cậy. Ngược lại, mỗi qubit Majorana đã độc lập và ổn định, do đó có thể mở rộng hệ thống một cách dễ dàng hơn nhiều.
Với kiến trúc qubit cơ bản vững chắc và có khả năng mở rộng, Majorana 1 có thể chứa tới 1 triệu qubit trên một con chip chỉ bằng lòng bàn tay – một con số mơ ước đối với các nhà nghiên cứu điện toán lượng tử hiện nay. Một con chip lượng tử như vậy sẽ đủ để thực hiện nhiều tác vụ quan trọng của điện toán lượng tử như phá vỡ các lớp mật mã, thiết kế các loại dược phẩm và vật liệu mới.
Sự kết hợp giữa lượng tử và trí tuệ nhân tạo
Một khía cạnh quan trọng khác được ông Satya Nadella nhấn mạnh là tiềm năng khi kết hợp công nghệ lượng tử với trí tuệ nhân tạo (AI). Trong khi AI đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ khả năng xử lý dữ liệu lớn và học máy, thì lượng tử lại mở ra cơ hội xử lý các bài toán tối ưu hóa và mô phỏng vật lý phức tạp vượt trội.
Ông Nadella gợi ý rằng, với sự hỗ trợ của lượng tử, AI có thể được cải thiện 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 là một điểm sáng thể hiện tầm nhìn chiến lược của Microsoft khi không chỉ tập trung vào cải tiến lượng tử mà còn nghĩ đến việc tích hợp chặt chẽ với các công nghệ tiên tiến khác để thúc đẩy đổi mới toàn diện.
Tầm quan trọng của bước đột phá này còn được ghi nhận bởi DARPA, cơ quan công nghệ quốc phòng tiên tiến của Mỹ, khi họ chọn Microsoft là 1 trong 2 công ty để thực hiện 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 và đã mang lại kết quả không chỉ tuyệt vời mà còn rất thực tế, hứa hẹn định hình lại cách thức triển khai điện toán lượng tử trong tương lai.
Tính mở rộng và ổn định của qubit topological của chip Majorana 1 còn mang lại khả năng thương mại to lớn, giúp việc chế tạo các máy tính lượng tử dễ dàng hơn, dễ vận hành hơn, thay thế cho các cỗ máy cồng kềnh hiện nay khi phải đi kèm nhiều hệ thống khác để đảm bảo sự tồn tại của các qubit. Đây cũng là lý do khiến Microsoft tin rằng Majorana 1 sẽ là con đường để xây dựng máy tính lượng tử hữu ích chỉ cần vài năm tới, thay vì hàng thập kỷ như dự báo của CEO NVIDIA, ông Jensen Huang.
Nguyễn Hải
