Máy tính lượng tử đang thay đổi hướng đi của khoa học: Phân tích sâu về đột phá mới nhất của IBM

Trong khi giới khoa học đang háo hức chờ đợi những cỗ máy tính lượng tử lớn hơn và mạnh hơn, thì Tập đoàn IBM (International Business Machines) cùng một nhóm các nhà nghiên cứu đã cố gắng chứng minh rằng: các hệ thống này ngay hôm nay đã có thể đưa vào sử dụng. Họ đã làm được.

Một bài báo dạng preprint được đăng lên nền tảng arXiv vào hôm thứ Tư cho thấy IBM phối hợp với hai phòng thí nghiệm quốc gia và ba trường đại học, đã thành công mô phỏng được một quá trình mà mắt thường không thể nhận ra, nhưng lại có giá trị ứng dụng trong lĩnh vực khoa học vật liệu.

Các nhà nghiên cứu sử dụng kỹ thuật tán xạ neutron (tức là cho chùm neutron xuyên qua mẫu) để đo các đặc tính của tinh thể từ tính, rồi so sánh trực tiếp kết quả đo với mô phỏng chạy trên máy tính lượng tử của IBM. Cuối cùng, bộ xử lý lượng tử đã thể hiện thành công mô hình hành vi mà tinh thể đó lẽ ra phải có.

Nếu phần mô tả này nghe có vẻ hơi khó hiểu, hãy nghe chính cách lý giải của các nhà nghiên cứu: nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, Alan Chi(e)y, cho biết thành tựu này “nâng ngưỡng kỳ vọng của con người về năng lực của máy tính lượng tử”.

(Trái: Kết quả thí nghiệm tán xạ neutron; Phải: Kết quả mô phỏng trên máy tính lượng tử IBM) Nguồn ảnh: IBM

Các hệ vật liệu ở cấp độ lượng tử cực kỳ phức tạp, máy tính truyền thống thường khó có thể mô hình hóa chúng. Trong khi đó, máy tính lượng tử đã hoàn thành thành công nhiệm vụ này, điều đó đánh dấu việc các hệ thống như vậy đang trở nên đủ mạnh để hỗ trợ phát triển vật liệu mới.

Điều này cũng gián tiếp xác nhận triển vọng ứng dụng công nghệ lượng tử trong khoa học vật liệu — khoa học vật liệu là nền tảng hỗ trợ cho hầu như mọi phát minh hiện đại; từ thiết bị y tế, chất bán dẫn đến pin đều không thể thiếu ngành này.

Các kịch bản ứng dụng của tính toán lượng tử đang dần trở nên rõ ràng. Đầu tháng này, IBM đã công bố một bản phác thảo cho trung tâm dữ liệu, lên kế hoạch tích hợp máy tính lượng tử với GPU và CPU hiện có. Ngoài khoa học vật liệu, công nghệ này còn có thể tạo ra ảnh hưởng sâu rộng đối với ngành tài chính và dược phẩm. Một số người lạc quan trong giới cho rằng, nó cũng có thể giảm đáng kể mức tiêu hao năng lượng cho các tác vụ đòi hỏi năng lực tính toán cao.

Hiện tại, cả chuyên gia trong ngành lẫn nhà đầu tư trong lĩnh vực lượng tử đều đã hạ thấp kỳ vọng. Trước khi máy tính lượng tử đạt được thương mại hóa rộng rãi, chúng vẫn khó có thể được xem là thực sự “có thể sử dụng”. Muốn làm được điều này, cần phải đạt mở rộng quy mô.

Dù vậy, năng lực mà IBM đã thể hiện trong thí nghiệm mới nhất này, vốn ban đầu được dự đoán sẽ chỉ xuất hiện khi có những máy tính lượng tử quy mô lớn, có khả năng dung sai lỗi — tức là loại máy mà dù một vài linh kiện bị lỗi hoặc chịu nhiễu, vẫn có thể tiếp tục vận hành bình thường.

Giống như máy tính truyền thống mã hóa thông tin cơ bản bằng bit, máy tính lượng tử dựa vào qubit. Tuy nhiên, hai bên tồn tại khác biệt then chốt: qubit (qubit) thường được tạo ra thông qua việc điều khiển và đo các hạt như photon, electron hoặc các ion bị giam giữ.

Hơn nữa, khác với bit truyền thống, qubit nhạy cảm đặc biệt với biến đổi của môi trường — từ nhiệt cho đến nhiễu điện từ và mọi yếu tố khác — đều có thể làm nhiễu loạn trạng thái lượng tử mong manh của nó, dẫn đến máy tính gặp sự cố.

Mục tiêu của chính IBM là đến năm 2029 bàn giao chiếc siêu máy tính lượng tử chịu lỗi đầu tiên của mình, mã hiệu “Starling”, dự kiến năng lực xử lý sẽ gấp hai vạn lần so với các máy tính lượng tử hiện nay.

Trong tương lai ba năm, rất nhiều thay đổi có thể sẽ — và chắc chắn sẽ — diễn ra. Thí nghiệm mới nhất của IBM chỉ là bước khởi đầu.