Chip lượng tử khủng khiếp của Microsoft ra mắt thế giới

Chúng ta đều biết rằng vật chất có 3 trạng thái chính: rắn, lỏng và khí. Nhưng Microsoft vừa tuyên bố rằng họ đã tạo ra một trạng thái vật chất mới, trạng thái tôpô (topological state), trong quá trình phát triển máy tính lượng tử của mình. Từ trạng thái mới này, các nhà khoa học của Microsoft đã chế tạo thành công một loại topological qubit (tạm dịch là "qubit tôpô"). Công nghệ này có thể được tận dụng để giải quyết các vấn đề hóc búa của toán học, khoa học và công nghệ.

Với thành tự này, Microsoft đang có lợi thế của riêng mình trong cuộc đua chế tạo máy tính lượng tử. Từ những năm 1980, các nhà khoa học đã theo đuổi giấc mơ tạo ra một máy tính lượng tử, một cỗ máy có thể khai thác những hành vi kỳ lạ nhưng vô cùng mạnh mẽ của các hạt hạ nguyên tử (subatomic particle) hoặc các vật thể ở nhiệt độ cực thấp. Cuộc cạnh tranh này trở nên nóng hơn khi vào tháng 12 năm ngoái, Google ra mắt một máy tính lượng tử (thử nghiệm) có thể thực hiện một phép tính mà hầu hết các siêu máy tính hiện nay không thể hoàn thành trong 10 triệu tỷ năm (lâu hơn cả tuổi của vũ trụ mà chúng ta biết đến) chỉ trong 5 phút.

CEO Google, Sundar Pichai, bên cạnh một máy tính lượng tử của công ty.

Công nghệ lượng tử của Microsoft có thể vượt trội hơn so với các phương pháp mà Google đang phát triển. Trong nghiên cứu của mình, Microsoft đã chế tạo nhiều qubit tôpô bên trong một loại chip máy tính mới, có tên là Majorana 1. Con chip này kết hợp ưu điểm của các chất bán dẫn, vốn được sử dụng để vận hành máy tính thông thường, với các chất siêu dẫn, thành phần quan trọng để xây dựng máy tính lượng tử. Khi được làm lạnh xuống nhiệt độ cực thấp, con chip này có thể hoạt động theo những cách đặc biệt và mạnh mẽ. Hơn nữa, công nghệ này ít bất ổn hơn so với các công nghệ lượng tử khác, giúp việc khai thác sức mạnh của nó trở nên dễ dàng hơn.

Một số người hoài nghi về việc Microsoft có thực sự đạt được cột mốc này hay không, và nhiều học giả cho rằng phải mất hàng chục năm nữa máy tính lượng tử mới có thể trở thành hiện thực. Tuy nhiên, các nhà khoa học của Microsoft khẳng định rằng phương pháp của họ sẽ giúp rút ngắn thời gian để đạt được mục tiêu.

Con chip Majorana 1 của Microsoft.

Ngoài việc đẩy nhanh tiến bộ trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ, một máy tính lượng tử đủ mạnh còn có thể phá vỡ các hệ thống mã hóa đang bảo vệ bí mật quốc gia. Bất kỳ bước tiến nào trong lĩnh vực này cũng sẽ có tác động đến địa chính trị. Trong khi Mỹ đang theo đuổi máy tính lượng tử chủ yếu thông qua các tập đoàn như Microsoft và một loạt startup, chính phủ Trung Quốc tuyên bố đã đầu tư 15,2 tỷ USD vào công nghệ này. Liên minh châu Âu cũng cam kết chi 7,2 tỷ USD.

Máy tính lượng tửvẫn là một công nghệ mang tính thử nghiệm. Tuy nhiên, với những bước đột phá gần đây của Microsoft, Google và các công ty khác, các nhà khoa học tin rằng công nghệ này cuối cùng sẽ đạt được những gì đã hứa hẹn.

Để hiểu về máy tính lượng tử, trước tiên chúng ta cần biết cách một máy tính truyền thống hoạt động. Smartphone, laptop hay desktop đều dựa vào các con chip nhỏ làm từ chất bán dẫn (những vật liệu có thể dẫn điện trong một số điều kiện nhất định). Các con chip này lưu trữ và xử lý dữ liệu bằng cách thực hiện các phép toán như cộng, trừ, nhân, chia, v.v. Chúng thực hiện những phép tính này thông qua việc thao tác các “bit” thông tin, trong đó mỗi bit chỉ có thể có giá trị 1 hoặc 0.

Máy tính lượng tử hoạt động theo một cách hoàn toàn khác. Một bit lượng tử, hay qubit, dựa vào hành vi kỳ lạ của các hạt hạ nguyên tử hoặc các vật liệu đặc biệt được làm lạnh đến nhiệt độ cực thấp. Khi một vật thể đạt kích thước cực nhỏ hoặc nhiệt độ cực thấp, nó có thể tồn tại ở hai trạng thái cùng một lúc. Bằng cách khai thác hiện tượng này, các nhà khoa học có thể tạo ra một qubit có thể chứa đồng thời cả 1 và 0. Điều này có nghĩa là hai qubit có thể lưu trữ bốn giá trị cùng lúc. Khi số lượng qubit tăng lên, sức mạnh tính toán của máy tính lượng tử sẽ tăng theo cấp số nhân.

Các công ty đang áp dụng nhiều phương pháp khác nhau để xây dựng những máy tính lượng tử này. Tại Mỹ, hầu hết các công ty, bao gồm Google, chế tạo qubit bằng cách sử dụng chất siêu dẫn. Đây là những vật liệu có thể dẫn điện mà không bị mất năng lượng. Họ tạo ra các chất siêu dẫn này bằng cách làm lạnh kim loại xuống nhiệt độ cực thấp. Microsoft đã đặt cược vào một hướng đi mà ít công ty khác theo đuổi: kết hợp chất bán dẫn với chất siêu dẫn. Nguyên lý cơ bản cho hướng đi này lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1997 bởi Alexei Kitaev, một nhà vật lý người Mỹ gốc Nga. Microsoft bắt đầu nghiên cứu dự án đặc biệt này từ đầu những năm 2000, khi hầu hết các nhà khoa học vẫn chưa tin rằng công nghệ này có thể thực hiện được. Đây là dự án nghiên cứu kéo dài nhất của Microsoft. “Cả ba đời CEO của công ty đều đã đặt niềm tin vào dự án này,” Satya Nadella, CEO hiện tại của Microsoft, cho biết.

Hiện tại, Microsoft đã tạo ra một thiết bị đặc biệt, có một phần là arsenua indi (một loại chất bán dẫn) và một phần là nhôm (một chất siêu dẫn khi ở nhiệt độ thấp). Khi được làm lạnh xuống khoảng -240°C, thiết bị này thể hiện những tính chất kỳ lạ có thể giúp hiện thực hóa máy tính lượng tử. Một số ý kiến của các chuyên gia vật lý cho rằng phát minh mới của Microsoft có ý nghĩa quan trọng, bởi qubit tôpô có thể đẩy nhanh quá trình phát triển máy tính lượng tử. Họ cho rằng nếu mọi thứ diễn ra đúng như dự tính, nghiên cứu của Microsoft có thể tạo ra một cuộc cách mạng. Một số ý kiến khác lại tỏ vẻ hoài nghi khi đặt câu hỏi liệu Microsoft có thực sự tạo ra một qubit tôpô hay chưa, bởi hành vi của các hệ lượng tử thường rất khó xác minh.

Microsoft cho biết họ mới chỉ chế tạo được 8 qubit tôpô, và những qubit này vẫn chưa thể thực hiện các phép tính đủ sức thay đổi nền tảng máy tính hiện tại. Nhưng các nhà nghiên cứu của công ty coi đây là một bước tiến quan trọng. Hiện tại, công nghệ này vẫn mắc quá nhiều lỗi để có thể sử dụng thực tế, nhưng các nhà khoa học đang tìm cách giảm thiểu sai sót. Năm ngoái, Google đã chứng minh rằng khi số lượng qubit tăng lên, họ có thể giảm đáng kể số lỗi nhờ các kỹ thuật toán học phức tạp. Nhiều nhà khoa học tin rằng nếu Microsoft hoàn thiện được qubit tôpô, quá trình sửa lỗi sẽ trở nên đơn giản và hiệu quả hơn.

Chetan Nayak, chuyên gia kỹ thuật của Microsoft, bên cạnh tủ lạnh làm mát các linh kiện máy tính lượng tử xuống nhiệt độ thấp hơn cả vũ trụ.

Mặc dù một qubit có thể lưu trữ nhiều giá trị cùng lúc, nó gặp phải một vấn đề lớn: khi đọc thông tin bên trong qubit, nó bị mất tính lượng tử và sụp đổ thành một bit cổ điển chỉ chứa một giá trị duy nhất: 1 hoặc 0. Điều này đồng nghĩa với việc nếu ai đó đọc dữ liệu từ qubit, nó sẽ mất đi sức mạnh cốt lõi của mình. Vì vậy, một thách thức quan trọng đặt ra là: Làm thế nào để xây dựng một cỗ máy tính khi nó có nguy cơ bị hư ngay khi được sử dụng? Các phương pháp sửa lỗi của Google là một cách để giải quyết vấn đề này. Tuy nhiên, Microsoft tin rằng họ có thể tìm ra giải pháp nhanh hơn, vì qubit tôpô có cách hoạt động khác biệt và về mặt lý thuyết ít có khả năng bị sụp đổ khi đọc thông tin bên trong chúng.

Theo TINHTE