Kỷ lục mới về số lượng lượng tử

Một loại máy tính mới

Tất cả các hệ thống máy tính hiện nay đều dựa vào khả năng cơ bản để lưu trữ và xử lý thông tin. Máy tính hiện tại thao tác các bit riêng lẻ, lưu trữ thông tin dưới dạng các trạng thái nhị phân 0 và 1. Tuy nhiên, có những thách thức hiện nay mà các hệ thống này sẽ không bao giờ có thể giải quyết được. Đối với các vấn đề trên một quy mô và độ phức tạp nhất định, chúng ta không có đủ sức mạnh tính toán trên phạm vi toàn cầu để giải quyết chúng.

Để giải quyết một số vấn đề này, chúng ta cần một loại máy tính mới. Máy tính lượng tử phổ dụng, tận dụng các hiện tượng cơ lượng tử chồng chất và vướng mắc lượng tử để tạo ra các trạng thái có quy mô theo cấp số nhân với số qubit, hoặc bit lượng tử. 

Giống như những máy tính kỹ thuật số đầu tiên, máy tính lượng tử cung cấp khả năng công nghệ mạnh hơn theo cấp số nhân so với các hệ thống hiện tại. Nó có thể thay đổi hoạt động của doanh nghiệp, thậm chí là toàn bộ ngành công nghiệp và thế giới bằng cách giải quyết những vấn đề dường như không thể ngày nay.

Máy tính lượng tử

Một trong những ứng dụng đầu tiên và hứa hẹn nhất của điện toán lượng tử sẽ là trong lĩnh vực hóa học. Ngay cả đối với các phân tử đơn giản như caffein, số lượng trạng thái lượng tử trong phân tử có thể lớn đến mức đáng kinh ngạc mà bộ nhớ máy tính thông thường và sức mạnh xử lý từng được tạo ra không thể mô hình hóa nó.

Ngày nay, các bộ xử lý lượng tử thực được các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới sử dụng để thử nghiệm các thuật toán cho những ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Nhưng chỉ cách đây vài thập kỷ, máy tính lượng tử mới thực sự trở thành một môn lý thuyết thuần túy.

Một báo cáo gần đây của Gartner cho biết vào năm 2023, 20% tổ chức sẽ lập ngân sách cho các dự án điện toán lượng tử. Khi công nghệ mới này phát triển, các tổ chức sẽ phải đối mặt với sự thiếu hụt các chuyên gia tính toán lượng tử.

Máy tính lượng tử có thể thúc đẩy sự phát triển của những đột phá mới trong khoa học, nghiên cứu thuốc để cứu sống người bệnh, phương pháp học máy để chẩn đoán bệnh sớm hơn, vật liệu để tạo ra các thiết bị và cấu trúc hiệu quả hơn, các chiến lược tài chính để sống tốt khi về hưu và các thuật toán để nhanh chóng định hướng các nguồn lực như xe cứu thương, cứu hộ, cứu nạn...

Những tiến bộ mới nhất về máy tính lượng tử

Máy tính lượng tử tận dụng các hiện tượng cơ lượng tử để truyền tải và xử lý thông tin. Để làm được điều này, máy tính lượng tử dựa vào các bit lượng tử hay còn gọi là qubit. 

IBM Quantum là sáng kiến đầu tiên trong ngành nhằm xây dựng các hệ thống lượng tử cho các ứng dụng kinh doanh và khoa học. Hãng này vừa công bố cột mốc quan trọng mới trên lộ trình điện toán lượng tử của mình, bằng việc đạt được số lượng lượng tử (Quantum Volume) cao nhất cho đến nay.

Phòng lab nghiên cứu máy tính lượng tử

Có một số cách khác nhau để tạo qubit. Một phương pháp sử dụng tính siêu dẫn để tạo và duy trì trạng thái lượng tử. Để làm việc với các qubit siêu dẫn này trong thời gian dài, chúng phải được giữ rất lạnh. Bất kỳ nguồn nhiệt nào phát sinh trong hệ thống đều có thể gây ra lỗi. Đó là lý do tại sao máy tính lượng tử hoạt động ở nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối.

Một trụ cột quan trọng để triển khai các hệ thống lượng tử của IBM vào đám mây là khả năng đọc các trạng thái lượng tử với độ trung thực cao trong thời gian thực. Khả năng này được thực hiện bằng cách sử dụng các loại bộ khuếch đại vi sóng có độ nhiễu cực thấp gọi là bộ khuếch đại giới hạn lượng tử (QLA).

Các qubit siêu dẫn, giống như các nền tảng lượng tử khác, phải chịu sự cân bằng cố hữu giữa cô lập và truy cập. Một mặt, để đạt được sự gắn kết lâu dài, các qubit cần được cách ly khỏi môi trường nhiễu, mặt khác, nếu chúng quá cô lập thì rất khó để kiểm soát và đo lường chúng.

Do đó, để các qubit siêu dẫn ở trạng thái siêu dẫn, có môi trường độ nhiễu thấp và cách ly lớn với thế giới bên ngoài, chúng được làm lạnh xuống nhiệt độ cực thấp, tức là, khoảng gần với độ không tuyệt đối (lạnh hơn bất kỳ nhiệt độ nào trong tự nhiên, bao gồm cả ngoài không gian vũ trụ). Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hệ thống chân không cao, đông lạnh đặc biệt.

Hình ảnh một thiết bị làm lạnh chứa và làm mát bộ xử lý lượng tử siêu dẫn.

Tuy nhiên, để kiểm soát và đọc ra các qubit này, các tín hiệu vi sóng cần giao tiếp giữa các qubit và thiết bị điện tử cổ điển điều khiển chúng ở nhiệt độ phòng. Các tín hiệu vi sóng này được thực hiện bởi các chuỗi đầu vào và đầu ra được thiết kế để giảm thiểu sự tiếp xúc với các nhiễu sóng của qubit. Các chuỗi như vậy thường chạy qua các giai đoạn nhiệt độ khác nhau của thiết bị làm lạnh và bao gồm nhiều thành phần vi sóng như đường đồng trục, bộ lọc, bộ suy giảm, bộ cách ly và bộ khuếch đại nhiễu sóng cực thấp.

Để đạt được lợi thế lượng tử (Quantum Advantage), mục tiêu mà một số tác vụ xử lý thông tin nhất định có thể được thực hiện hiệu quả hơn hoặc tiết kiệm chi phí hơn trên một máy tính lượng tử, so với một máy tính cổ điển, hệ thống yêu cầu số lượng các mạch lượng tử được cải tiến, cũng như các ứng dụng lượng tử được xây dựng trong một thiết bị máy tính lượng tử. Số lượng lượng tử tính toán chiều dài và độ phức tạp của các mạch điện tử, trong đó, số lượng lượng tử càng cao thì tiềm năng khám phá các giải pháp cho các vấn đề trong thế giới thực trong ngành công nghiệp, chính phủ và công tác nghiên cứu càng cao.

IBM đã tập trung vào một loạt các kỹ thuật và cải tiến mới, sử dụng kiến thức về phần cứng để vận hành các mạch lượng tử một cách tối ưu. Các phương pháp nhận biết phần cứng này có thể mở rộng và sẽ cải thiện bất kỳ mạch lượng tử chạy trên bất kỳ hệ thống lượng tử nào của IBM, dẫn đến cải tiến các thí nghiệm và ứng dụng mà người dùng có thể khám phá. Các kỹ thuật này sẽ có sẵn trong các bản phát hành sắp tới và các cải tiến đối với các dịch vụ phần mềm đám mây của IBM và bộ phát triển phần mềm nguồn mở đa nền tảng (SDK) Qiskit.

Cận cảnh một số thiết bị trong máy tính lượng tử

Kết hợp với một loạt các kỹ thuật phần mềm và phần cứng mới để cải thiện hiệu suất tổng thể, IBM đã nâng cấp một trong những hệ thống được triển khai trên máy chủ IBM Q Network 27-qubit (quantum bit) mới nhất của mình để đạt được số lượng lượng tử lên đến 64. 

IBM đã cung cấp tổng cộng 28 máy tính lượng tử trong 4 năm thông qua dự án Trải nghiệm điện toán lượng tử của mình (IBM Quantum Experience) với 8 hệ thống có số lượng lượng tử là 32. Mạng Q của IBM có 115 thành viên là các khách hàng, chính phủ, công ty khởi nghiệp, đối tác và trường đại học.

IBM Quantum hiện đang tiếp tục cung cấp phần mềm dựa trên đám mây để mọi tổ chức, doanh nghiệp ở tất cả các quy mô đều có thể trải nghiệm khám phá tiềm năng của máy tính lượng tử bất cứ lúc nào. Hơn 250.000 người dùng đã đăng ký tham gia trải nghiệm IBM Quantum Experience. 

Cho đến nay, người dùng đã thường xuyên sử dụng hơn 1 tỷ mạch phần cứng mỗi ngày trên hệ thống IBM Quantum trên đám mây của IBM. Các nhà nghiên cứu đã xuất bản hơn 250 bài báo dựa trên công trình trên hệ thống lượng tử của IBM.