Ra mắt bản thiết kế nguyên mẫu của chiếc máy tính lượng tử khổng lồ đầu tiên trên thế giới, có khả năng to bằng cả sân bóng đá

Ước mơ máy tính lượng tử - quantum computing, thứ công nghệ sẽ mang tới cho chúng ta sức mạnh xử lý tính toán chưa từng có trước đây, vừa có được một bước đột phá lớn nhất từng có: ta đã có được bản thiết kế mẫu mã nguồn mở cho một chiếc máy tính lượng tử khả thi đầu tiên. Người ta gọi đây là bản thiết kế cho chiếc Chén Thánh của ngành máy tính lượng tử.

Bản thiết kế mẫu này là một bản hướng dẫn cách thức tạo ra được một chiếc máy tính lượng tử theo lý thuyết là sẽ có thể to bằng một sân bóng đá, được cho là sẽ hóa giải những vấn đề nhức nhối của việc tạo ra một chiếc máy tính lượng tử trước đây. Điều đó có nghĩa rằng rất có thể, cuối cùng, công nghệ của tương lai này đã nằm trong tầm với của con người.

“Chúng tôi đưa tới cho công chúng kế hoạch lắp đặt chi tiết của một chiếc máy tính lượng tử quy mô lớn”, một nhà khoa học thuộc đội ngũ nghiên cứu, ông Winfried Hensinger từ Nhóm Công nghệ Lượng tử từ Đại học Sussex nói.

“Cuộc sống chúng ta sẽ thay đổi. Chúng ta sẽ có thể làm được những thứ mà loài người thậm chí chưa từng mơ tới”.

Nguyên mẫu lõi của một máy tính lượng tử sử dụng ion làm qubit.

Giả thuyết về một chiếc máy tính lượng tử đã được nhà vật lý học từng đoạt giải Nobel, ông Richard Feynman đưa ra hồi 1982. Dù chưa một mẫu thử khả thi nào được xây dựng, nhưng một chiếc máy tính lượng tử vẫn được cho là cách thức chúng ta cách mạng hóa quá trình xử lý một lượng dữ liệu khổng lồ trong tương lai.

Không giống những máy tính hiện đại chạy trên mã nhị phân của các con số 0 và 1, máy tính lượng tử sẽ hoạt động dựa trên qubit. Nhờ hiện tượng “tác động kỳ quái từ xa” (cái tên được đặt bởi thiên tài Albert Einstein) - một hiện tượng rối lượng tử xảy ra với vật chất - mỗi qubit sẽ có thể có trạng thái hoặc 0, hoặc 1 hoặc một trạng thái chồng chất (superposition) – một tổ hợp của cả hai trạng thái 0 và 1.

Nhờ sức mạnh ấy của qubit, máy tính lượng tử có thể thực hiện nhiều phép tính cùng một lúc và từ đó, chúng đưa tới cho chúng ta tương lai của một sức mạnh xử lý chưa từng có. Google công bố rằng máy tính lượng tử D-Wave 2X của họ mạnh hơn chip xử lý thông thường tới 100 triệu lần và thậm chí D-Wave 2X còn chưa phải là một chiếc máy tính lượng tử hoàn chỉnh – có nghĩa là chúng còn có tiềm năng để trở nên mạnh mẽ hơn nữa. Đó chính là sức mạnh xử lý chưa từng có đang được nói tới ở đây.

Rất nhiều đội ngũ nghiên cứu trên toàn thế giới đã tham gia vào cuộc đua máy tính lượng tử nhưng tiến trình vẫn chưa thực sự nhanh, bởi lẽ việc khai thác được sức mạnh từ hiện tượng rối lượng tử không phải là một thử thách đơn giản. Ta mới chỉ tạo được những thiết bị máy tính lượng tử mạnh 10 cho tới 15 qubit và từng đó vẫn là chưa đủ.

“Những cỗ máy tính lượng tử bị hỏng chủ yếu do hiện tượng tách sóng phục hồi, hiện tượng khiến cho qubit mất đi tính chồng chất của nó và trở thành trạng thái 0 hoặc 1 – đây chính là một trở ngại lớn ngăn chúng ta tạo nên được một chiếc máy tính lượng tử hoàn chỉnh”, nhà nghiên cứu Paul Rincon nói.

Giáo sư Lekitsch (bên trái) và giáo sư Hensinger (bên phải) từ Đại học Sussex.

Ông Hensinger đã đưa ra được câu trả lời cho hiện tượng này, rằng: “Với mẫu máy tính lượng tử mới này, chúng tôi đã thêm vào khả năng sửa những lỗi trên, từ đó cho phép ta tạo ra được một thiết bị lượng tử có quy mô lớn”.

“Để có thể có được những ứng dụng tuyệt vời của máy tính lượng tử như tạo ra những phương thuốc mới hay hiểu được nền tảng của thực tại, nền tảng của Vũ trụ thì thay vì những máy tính lượng tử 10 hay 15 qubit, ta cần phải có được nhiều hơn, có lẽ là một chiếc máy tính có 10 tỷ quantum bit”.

Đội ngũ của Hensinger nói rằng bản thiết kế mới này hoàn toàn dựa trên những công nghệ sẵn có của con người, vượt qua được những thử thách vốn có của máy tính lượng tử và rất có thể, ta sẽ sớm có được một chiếc máy tính lượng tử vượt được ra khỏi bức tường của phòng thí nghiệm.

Chiếc máy tính lượng tử này sử dụng những ion (những nguyên tử mang điện tích) nằm trong trong từ trường làm qubit, một hệ thống như vậy sẽ bao gồm nhiều module nhỏ bằng cỡ một bàn tay. Những module có thể thay thế này, theo lý thuyết, sẽ có thể kết hợp lại được để trở thành một chiếc máy tính lượng tử khổng lồ, to đến mức nào cũng được. Mỗi chiếc module sẽ chứa khoảng 2.500 qubit ion, từ trường bao bọc chúng sẽ khiến cho trạng thái lượng tử của các qubit được bảo tồn nguyên vẹn.

Khi chiếc máy tính lượng tử này khởi động, hệ thống sẽ hoạt động dựa trên tương tác giữa các ion, một tương tác tạo nên bởi một mạng lưới hướng dẫn những hạt ion lại gần nhau. Đội ngũ nghiên cứu giải thích rằng những thiết kế máy tính lượng tử trước đây sử dụng liên kết quang học để kết nối những module riêng rẽ, nhưng thiết kế mới này sử dụng những trường điện để di chuyển các ion từ module này sang module khác.

Máy tính lượng tử của Google.

Cách thức mới này sẽ khiến tốc độ kết nối mạnh hơn 100.000 lần phương pháp cũ và cho phép hệ thống máy tính lượng tử mới có thể hoạt động được ở nhiệt độ phòng, thay vì những thiết kế bắt buộc phải sử dụng một loại chất siêu bán dẫn nhất định được làm lạnh tới một nhiệt độ phi thực tế.

Một cải tiến khác được các nhà nghiên cứu nhắc tới đó là thay vì sử dụng những tia laser đơn lẻ để giữ những qubit ion giữ nguyên vị trí, họ sẽ sử dụng một trường bức xạ vi sóng chạy xuyên suốt toàn bộ hệ thống máy tính.

“Để điều chỉnh tác động của từng qubit tới toàn bộ hệ thống, chúng tôi chỉ cần áp dụng một lượng điện áp nhất định cho trường bức xạ kia”, nhà nghiên cứu Elizabeth Gibney nói.

Bản thiết kế mẫu đã được đưa tới với công chúng và có thể được bất kì đội ngũ nghiên cứu máy tính lượng tử nào sử dụng. Hơn nữa, những đội ngũ ấy cũng có thể tạo ra được một chiếc máy tính lượng tử có kích cỡ của cả một tòa nhà.

Hensinger và đội ngũ của ông mong muốn rằng họ có thể tạo ra được một phiên bản hoàn chỉnh của hệ thống máy tính lượng tử kia chỉ trong vòng 2 năm nữa.

Nhà vật lý học Andrea Morello từ Đại học New South Wales tại Úc, một nhà nghiên cứu cũng đang cố gắng tạo ra một công nghệ máy tính lượng tử riêng của ông, nói rằng dù bản thiết kế này có những thử thách nhất định, nhưng ông vẫn nghĩ rằng đây là một cột mốc lớn của ngành máy tính lượng tử, và “sẽ gây ảnh hưởng tới toàn bộ cộng đồng nghiên cứu nhiều năm tiếp theo nữa”.

Tham khảo ScienceAlert, Phys,Nature

Các nhà khoa học tìm ra cách truyền thông tin lượng tử nhờ hạt ánh sáng photon

Dink