Quantum computer và con đường đến thực tiễn lượng tử

Máy tính lượng tử đã bắt đầu được nghiên cứu chế tạo từ lâu, nhưng vẫn còn chặng đường dài cải tiến để có thể tiến đến thực tiễn lượng tử.

Các nhà khoa học đã bắt đầu chế tạo máy tính lượng tử từ nhiều thập kỷ nay rồi, với tiềm năng giải quyết nhiều vấn đề nan giải hiện tại. Ngành công nghiệp này đang được thúc đẩy tích cực bởi các khoản đầu tư cho nghiên cứu và phát triển, dự kiến giá trị thị trường máy tính lượng tử sẽ tăng đến mức 1.76 tỉ USD vào năm 2026, theo MarketsandMarkets Research Private Ltd.

Sự khác biệt giữa máy tính lượng tử và siêu máy tính

Thông thường, chúng ta hầu hết đều xác định khả năng tính toán của 1 máy tính bằng mức xung hoạt động mà CPU mang lại. Tốc độ hàng GHz nghe có vẻ nhiều, thế nhưng khả năng của chúng chỉ đủ để đáp ứng những khối lượng công việc thông thường của người dùng cuối. Đối với nhu cầu thương mại, xử lý tính toán với cơ sở dữ liệu khổng lồ, ví dụ như dự báo thời tiết hay lập mô hình phân tử, những mẫu desktop quen thuộc gần như chẳng có cơ hội nào cả. Đây chính là lúc mà người ta cần đến siêu máy tính – supercomputer. Những siêu máy tính có cơ chế hoạt động tương tự như máy tính thông thường, vẫn dựa trên hệ nhị phân với 2 trạng thái tắt – mở hay không – có, tương ứng với 0 – 1. Tuy chỉ 2 bit đơn giản nhưng hệ nhị phân có thể biểu thị các thông tin phức tạp dưới dạng chuỗi 0 – 1 kết hợp rất dài.

Máy tính lượng tử – quantum computer – lại hoàn toàn khác, dựa trên các nguyên tắc của vật lý lượng tử, cụ thể hơn là các bit lượng tử – qubit. Hãy lấy ví dụ sau để dễ hiểu hơn về qubit. Nếu như hệ nhị phân như 2 mặt của 1 đồng xu, hoặc úp hoặc ngửa, thì qubit giống như được nâng cấp hơn. Cũng là đồng xu đó, nhưng thay vì chỉ có úp hoặc ngửa, chúng ta tưởng tượng rằng đồng xu này đang xoay, và lúc xoay, nó sẽ có thêm 1 trạng thái đặc biệt mới – superposition – trạng thái kết hợp chồng lấp của cả úp và ngửa cùng lúc. Với 2 đồng xu đang xoay chúng tạo ra 4 trạng thái đồng thời. Quantum computer dựa trên những “đồng xu” qubit này, nhờ đó sức mạnh tính toán của máy tính lượng tử tăng lên theo cấp số nhân.

Để rõ ràng và chính xác hơn, khi đồng xu đang xoay, chúng ta không thể biết được nó sấp hay ngửa, nó chỉ kết thúc khi người ta tiến hành phép đo. Nếu có 2 đồng xu đang xoay cùng lúc, cả 2 sẽ tương quan với trạng thái của chúng, tức là 2 đồng xu đồng dạng nhau, nhưng điều này chỉ đúng khi trạng thái chưa được xác định. Trạng thái này được gọi là rối lượng tử – quantum entanglement – ngừng lại khi 1 trong 2 đồng xu ngừng quay, tức là chúng ta xác định được trạng thái cụ thể của nó. Đồng xu khi sấp hoặc ngửa là biểu thị cho 1 bit 0 hoặc 1, và khi đồng xu xoay, nó tạo ra hình dạng của 1 quả cầu – đây là 1 qubit. Nếu điểm cực bắc của quả cầu diễn tả trạng thái 1 và điểm cực nam diễn tả trạng thái 0, các tọa độ khác trên quả cầu tạo ra khi đồng xu xoay sẽ diễn tả 1 trạng thái chồng lấp – superposition – đâu đó giữa 0 và 1.

Qubit có thể duy trì đồng thời nhiều trạng thái, nhờ đó có thể thực hiện nhiều phép tính toán hơn so với bit truyền thống của hệ nhị phân. Cứ mỗi 1 tọa độ trên quả cầu qubit mang 1 chuỗi ký tự thì lượng thông tin mà qubit có thể chứa gần như là vô hạn. Tuy nhiên thông tin chứa trong qubit phải được trích xuất ra để sử dụng nhờ 1 hệ thống đo lường. Sau khi đo lường, thông tin lưu trữ trong cơ chế lượng tử sẽ được trả về dạng bit truyền thống. Xét theo lý thuyết, chỉ với 50 qubit, chúng sẽ tạo ra được nhiều trạng thái hơn cả 1 siêu máy tính mang lại. Và nếu có 300 qubit, số lượng trạng thái được biểu diễn còn nhiều hơn tất cả các nguyên tử trong vũ trụ cộng lại.

Không giống như siêu máy tính, máy tính lượng tử xử lý dữ liệu theo phương thức phi nhị phân và thực hiện các phép tính dựa trên xác suất. Lý thuyết thì khi muốn tăng khả năng tính toán của máy tính lượng tử, người ta chỉ cần tăng 1 số lượng ít qubit là đã đủ nhờ đường tương quan dốc. Dù vậy, thực tế nó sẽ khác, khi mà tỉ lệ lỗi cần giữ ở mức thấp nhất, đảm bảo không có vấn đề xảy ra trong rối lượng tử giữa các qubit. Độ chính xác là 1 thử thách khi phát triển máy tính lượng tử, đồng thời là quy trình sửa chữa lỗi. Nếu muốn phá được thuật toán mã hóa RSA 2048 bit, máy tính thông thường cần khoảng 300,000 tỉ năm, nhưng 1 máy tính lượng tử với 4099 qubit chỉ mất 10 giây. Nghe thì hấp dẫn và siêu mạnh vậy nhưng thành tựu của con người hiện mới đạt tới mức 127 qubit cho máy tính lượng tử vào tháng 11/2021 mà thôi, con đường đến 4099 qubit còn rất dài.

Thực tiễn lượng tử cần những gì?

Thực tế, chúng ta cần hơn 1 triệu qubit chất lượng cao để có thể tiến tới thương mại hóa tính toán lượng tử, hay còn được gọi là đạt đến thực tiễn lượng tử (quantum practically). Lúc này, máy tính lượng tử có thể thương mại và giúp giải quyết các vấn đề liên quan trong thế giới thực. Thách thức trước mắt nằm ở chỗ các qubit giống như đa số phụ nữ vậy, rất “mong manh dễ vỡ”. Qubit có thời gian tồn tại rất ngắn, tính bằng micro giây, và cực kỳ dễ bị tác động bởi môi trường xung quanh. Chỉ cần có sự thay đổi nhiệt độ rất nhỏ, hay thậm chí là 1 tiếng ồn mà chúng ta còn không thể nhận biết được – nhiễu từ trường – cũng có thể gây mất thông tin trên qubit do lỗi đo lường.

Máy tính lượng tử hiện tại rất nhạy cảm, cần có điều kiện áp suất, nhiệt độ rất cụ thể để có thể hoạt động chính xác. Người ta tạo ra môi trường lý tưởng để đặt máy tính lượng tử, nơi không có áp suất khí quyển, nhiệt độ môi trường gần độ 0 tuyệt đối, tách biệt khỏi từ trường Trái Đất để ngăn các nguyên tử di chuyển, va chạm hay tương tác với nhau. Để có nhiệt độ hoạt động cần thiết, các máy tính lượng tử phải ngâm trong helium lỏng, và để tránh nhiễu từ trường, chúng được niêm phong cách xa các máy tính thông thường dùng để điều khiển nó.

Tăng ngưỡng nhiệt độ hoạt động của qubit với spin qubit

Trong nhân của 1 máy tính lượng tử  là siêu chip với các qubit được sắp xếp xen kẽ nhau như hình ảnh của bàn cờ vua. Các qubit bên trong siêu chip là các vi tụ điện được chế tạo từ Niobium (hay trước đây gọi là Colombium, nguyên tố hóa học có ký hiệu Nb, đứng thứ 41 trong bảng tuần hoàn). Nb là 1 kim loại chuyển tiếp có màu xám nhạt, dạng tinh thể và dễ uốn. Độ cứng của Nb nguyên chất trên thang đo Mohs ngang hàng với titanium, đồng thời có độ dẻo như sắt.

Để hướng đến mở rộng quy mô của chip lượng tử, Intel hợp tác với QuTech, tạo ra quy trình công nghệ spin qubit (qubit xoay) cho phép chế tạo hơn 10,000 mảng với rất nhiều silicon-spin qubit trên 1 tấm wafer, cùng hiệu suất trên 95%. Các spin qubit này rất giống với các transistor, hiện tại ứng dụng tiến trình công nghệ 300 mm trong cùng 1 nhà máy nơi Intel sản xuất các chip CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Điều này chứng minh được rằng việc sản xuất qubit có thể thực hiện ở cùng 1 nơi tạo ra những con chip thông thường.

Các spin qubit nhỏ hơn nhiều nhưng lại có thời gian liên kết lâu hơn và khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao hơn qubit siêu dẫn (superconducting qubit). Trước đây qubit siêu dẫn cần môi trường có nhiệt độ 0 tuyệt đối -273.13 độ C hay 20 mK thì spin qubit có thể hoạt động được ở ngưỡng cao hơn – 1 K hay -272.15 độ C. Tiến bộ này giúp giảm bớt sự phức tạp cần thiết để vận hành 1 máy tính lượng tử, đồng thời cho phép tích hợp các thiết bị điện tử điều khiển ở khoảng cách gần hơn với siêu chip lượng tử. Thành quả giữa Intel và QuTech cũng cho thấy khả năng kiểm soát riêng lẻ giữa 2 qubit với độ chính xác của 1 qubit lên đến 99.3%.

Đơn giản hóa thiết kế hệ thống để tăng tốc thời gian thiết lập và cải thiện hiệu năng qubit

Một thách thức quan trọng khác trong các hệ thống máy tính lượng tử hiện tại là việc sử dụng các thiết bị điện tử ở phòng thông thường, với rất nhiều cáp đồng trục kết nối đến chip qubit đặt bên trong dilution refrigerator – thiết bị đông lạnh có khả năng làm lạnh liên tục đến mức nhiệt độ cực thấp – 2 mK. Cách này rất khó để mở rộng ra quy mô qubit lớn do rào cản về chi phí, dạng thức, năng lượng tiêu thụ và tản nhiệt cho chính tủ lạnh đặc biệt kia. Mục tiêu trước mắt là giải quyết được đống dây cáp kết nối, đơn giản hóa thiết lập khi cần vận hành 1 máy tính lượng tử.

Intel đã tiến hành thay thế những công cụ cồng kềnh kia bằng SoC tích hợp cao và con chip điều khiển điện toán lượng tử nhiệt độ thấp (cryogenic quantum computing control chip) đầu tiên giúp đơn giản hóa trong thiết kế hệ thống. Bằng cách sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu phức tạp, giải pháp của Intel giúp tăng tốc thời gian thiết lập, cải thiện hiệu năng qubit, cho phép các kỹ sư mở rộng hệ thống lượng tử hiệu quả hơn với số lượng qubit lớn hơn.

Mở rộng toàn vẹn với tính toán lượng tử

Quantum computer là 1 khái niệm máy tính và tính toán hoàn toàn mới, cách hoạt động mới, yêu cầu phần cứng, phần mềm và các ứng dụng được phát triển đặc biệt. Điều này nghĩa là máy tính lượng tử đang cần tất cả các thành phần mới, từ bộ xử lý điều khiển qubit, thiết bị điện tử điều khiển, chip qubit và nhiều hơn nữa. Intel đang phát triển các thành phần này cho máy tính lượng tử, và thách thức cần giải quyết là làm sao để chúng có thể hoạt động phù hợp, mượt mà với nhau. Hãy tưởng tượng rằng khán giả đang có nhu cầu xem 1 vũ điệu lượng tử, và Intel đang là 1 biên đạo múa lượng tử vậy.

Chắc chắn rằng máy tính lượng tử không nhắm đến thay thế cho máy tính cá nhân hiện tại, mà mang ý nghĩa tăng cường. Sự phát triển của quantum computer là nhằm giải quyết các thách thức hay bài toán thực tế mà ngay cả những siêu máy tính hiện tại cũng gặp khó khăn. Kinh nghiệm của Intel trong lĩnh vực máy tính truyền thống giúp hãng trở nên phù hợp hơn khi phát triển máy tính lượng tử, với quy mô cần thiết để tìm ra giải pháp cho các thách thức mà sự phát triển của quantum computer đang phải đối mặt. Những tiến bộ mà Intel cùng các đối tác đã đạt được như spin qubit, cryogenic control hay phát triển toàn bộ công nghệ đang mở ra những hi vọng mới cho việc tiến tới thực tiễn lượng tử trong tương lai không xa.

Chia sẻ độc quyền của bà Alexis Crowell – Phó Chủ tịch Mảng Bán hàng, Tiếp thị và Truyền thông, và Giám đốc điều hành khu vực châu Á, tập đoàn Intel.

Chia sẻ cảm nhận nhé ^^