Máy tính lượng tử: cuộc chạy đua giữa các ông lớn

Con chip lượng tử 17 qubit mà Intel vừa giới thiệu. (Ảnh: Intel).

Trước khi Intel tham dự, cuộc chạy đua trong lĩnh vực tin học lượng tử này chỉ là sự cạnh tranh giữa hai tập đoàn IBM và Google. Hồi tháng 4 vừa qua, tập đoàn Google đã công bố những nghiên cứu của họ về một bộ vi xử lý lượng tử 9 qubit. Tập đoàn này đồng thời cũng đã đạt được những tiến bộ trong những nghiên cứu có thể giúp họ phá vỡ một số kỷ lục về máy tính lượng tử vào cuối năm nay. Nhưng chỉ sau đó một tháng, gã khổng lồ trong lĩnh vực tin học IBM cũng đã giới thiệu bộ vi xử lý lượng tử 17 qubit đầu tiên trên thế giới.

Thành công của IBM dựa trên những nghiên cứu do Giáo sư Robert Schoelkopf tiến hành tại ĐH Yale. Trong nhóm nghiên cứu của IBM có rất nhiều nghiên cứu sinh thạc sĩ và tiến sĩ của GS Robert. Còn công trình của Google dựa trên các kết quả nghiên cứu một nhóm nghiên cứu do giáo sư John Martinis lãnh đạo tại trường ĐH California ở Santa Barbara.

Tất cả các nhà nghiên cứu của IBM, Intel, Google cũng như các công ty khác, thí dụ như Microsoft, đang dốc sức chạy đua để hướng tới mục tiêu chế tạo một bộ vi xử lý lượng tử có kích thước 50 qubit. Đây là kích thước cần thiết của một bộ vi xử lý lượng tử đủ để người ta có thể chế tạo được một siêu máy tính lượng tử có sức mạnh lớn hơn nhiều so với các hệ thống siêu máy tính hiện nay.

“Rối lượng tử” (hoặc “Liên đới lượng tử”)

Các máy tính lượng tử rất khác biệt so với những máy tính kỹ thuật số hiện nay. Một chiếc máy tính kỹ thuật số tính toán dựa trên hai trạng thái: 0 và 1 (hoặc “tắt” và “bật”). Nhưng một chiếc máy tính lượng tử sử dụng kết hợp cả các trạng thái 0 và 1 để tạo ra nhiều trạng thái khác nhau, trong đó có thể là một số 0, một số 1, cả hai cùng một lúc hoặc (và đây là phần nghe có vẻ kỳ cục) một trạng thái nào đó nằmở giữa, một trạng thái 0 / 1 bí ẩn khó có thể miêu tả hoặc nói rõ ràng.

Những trạng thái hỗn loạn này được gọi là hiện tượng “rối” (hay “liên đới”)và người ta hiện đã có một số công thức toán nổi tiếng (còn gọi là “thuật toán”), có thể sử dụng các trạng thái này để tính toán những thứ mà các máy tính truyền thống không đủ mạnh để thực hiện. Thí dụ, các máy tính lượng tử có thể làm việc với hàng tỷ biến trong cùng một lúc, giống như sự tương tác giữa các phân tử trong ngành hóa học.

Máy tính lượng tử cũng rất phù hợp cho những tác vụ dạng máy tính học tập. Chúng còn có thể giúp tìm kiếm những loại dược phẩm mới, tạo ra những hình thức bảo mật máy tính mới. Người ta tin rằng dạng máy tính này có thể giúp tạo ra các máy tính có thể suy nghĩ, chế tạo máy tính dạng người hoặc chế tạo các loại thuốc dành riêng cho từng bệnh nhân.

Nếu tất cả những điều nói trên nghe có vẻ khó hiểu thì đừng lo, bạn không phải là người duy nhất. Mặc dù Microsoft cũng đang đầu tư mạnh mẽ vào máy tính lượng tử, nhưng đến Bill Gates cũng phải thừa nhận rằng, bất chấp tất cả những kiến thức về vật lý và toán học của mình, nhưng đến giờ ông vẫn không thể hiểu rõ cách hoạt động của lượng tử. Nói như vậy để bạn có thể hình dung vấn đề này phức tạp đến mức nào.

Lạnh hơn trong vũ trụ

Cho tới nay, có một số thách thức to lớn trong việc chế tạo các máy tính lượng tử lớn hơn. Như giải thích của Intel, các qubit cực kỳ mong manh. Chỉ cần xuất hiện một âm thanh hay sự phân tán không dự tính cũng có thể gây mất dữ liệu. Những máy tính lượng tử sử dụng các kim loại siêu dẫn được bảo quản trong nhiệt độ siêu lạnh. Intel cho biết, chúng phải hoạt động ở mức nhiệt độ “20 millikelvin”, lạnh gấp 250 lần so với nhiệt độ trong vũ trụ. Tuy nhiên, điều kiện về nhiệt độ này rất khó để tạo ra và duy trì.

Môi trường siêu lạnh không phải là vấn đề duy nhất. Khi người ta gia tăng quy mô một hệ thống máy tính lượng tử bằng cách bổ sung thêm các qubit, hệ thống này rất dễ gặp trục trặc trong nhiều trường hợp. Nhưng mọi việc đang tiến triển rất nhanh. Vào tháng 5-2016, IBM công bố hệ thống máy tính lượng tử 5 qubit và dịch vụ đám mây đầu tiên trên thế giới. Chỉ sau đó một năm, những bộ vi xử lý mới được chế tạo đã có kích thước tăng gấp ba lần.

Google đang hy vọng rằng họ sẽ tạo ra một máy tính lượng tử thử nghiệm có kích thước lớn, mạnh mẽ vào cuối năm nay để có thể thực hiện các phép tính mà các siêu máy tính truyền thống không thể làm được, một khái niệm được gọi là “uy thế lượng tử”. Trong khi đó, với việc công bố bộ vi xử lý lượng tử của riêng mình, Intel bày tỏ rằng mình không đứng ngoài xu hướng, tạo ra một sức ép mạnh mẽ cho hai đối thủ đi trước trong cuộc đua này.