“Hình thái vật chất mới” trong chip máy tính lượng tử của Microsoft là gì, giúp ích gì cho ngành?

5 phút, và 1 triệu tỷ tỷ năm

Nhưng ngay từ thập niên 1980, các nhà khoa học đã đặt ra một lý thuyết gọi là máy tính lượng tử. Những cỗ máy như thế, thay vì tính toán giúp con người nhờ dòng electron để biến những dòng dữ liệu giá trị nhị phân 0 và 1 trở thành thứ có ích với chúng ta, thì chúng làm việc theo kiểu khác. Gọi là lượng tử, vì những cỗ máy tính lượng tử tận dụng sức mạnh đáng nể của những hạt hạ nguyên tử, hay những vật chất ở nhiệt độ gần đạt mốc tuyệt đối, 0K, tức là âm 273.15 độ C.

Thứ không mấy ai để tâm, đó là cuộc đua thực tiễn hóa máy tính lượng tử đã có một cột mốc mới từ thời điểm tháng 12/2024. Khi ấy, các nhà khoa học tại Google hé lộ một cỗ máy tính lượng tử thử nghiệm. Họ cho chạy một tác vụ trên hệ thống này. Tác vụ ấy hoàn thành và đưa ra kết quả sau 5 phút.

Rồi họ nói rằng, cùng một tác vụ ấy, những phép tính ấy, nếu cho chạy trên một hệ thống siêu máy tính truyền thống, sẽ mất 1 triệu tỷ tỷ năm mới xong. Con số này, 1 septillion, là 1 số một với… 24 số không. Để so sánh thì chúng ta có một con số như thế này. Toàn bộ lịch sử vũ trụ, kể từ thời điểm vụ nổ Big Bang xảy ra cho tới nay, nếu những tính toán của loài người là chính xác, thì vũ trụ chúng ta biết cũng mới chỉ hình thành và tồn tại được có 13.8 tỷ năm.

Tua nhanh tới ngày 19/2/2025. Với công bố của các kỹ sư và nhà khoa học tại Microsoft, kỹ thuật kiến trúc máy tính lượng tử mới mà họ phát triển được có thể tạo ra một bước nhảy vọt so với những gì Google công bố chừng ba tháng trước. Topological qubit mà Microsoft phát triển, được áp dụng ở số lượng lớn bên trong một con chip máy tính, kết hợp cả sức mạnh của thứ vật liệu bán dẫn đang đóng vai trò trụ cột cho cả ngành điện toán truyền thống hiện tại, với những lợi thế của loại vật liệu siêu dẫn thường được dùng để phát triển máy tính lượng tử.

Đương nhiên giống như mọi hệ thống máy tính lượng tử khác đang được nghiên cứu hiện giờ, con chip mang tên Majorana 1 vẫn cần được đem nhiệt độ xuống gần ngưỡng nhiệt độ tuyệt đối, vô cùng thấp để vận hành. Tuy nhiên theo Microsoft, công nghệ máy tính lượng tử mới của họ ổn định hơn rất nhiều so với những công nghệ khác, từ đó, ứng dụng và tận dụng sức mạnh của công nghệ này dễ dàng hơn nhiều.

Google Willow

Điều đáng nói ở đây là, thời điểm các kỹ sư Google giới thiệu con chip mang tên Willow vào đầu tháng 12/2024, các nhà khoa học và những nhà phân tích trong cả ngành công nghệ nói chung và điện toán nói riêng cũng khẳng định rằng, Willow và Google có thể đặt dấu chấm hết cho cuộc chạy đua nghiên cứu máy tính lượng tử, tạo ra một giải pháp thực tiễn để con người tận dụng thứ công nghệ dù không mới nhưng chưa phục vụ được chúng ta một cách hiệu quả như máy tính điện toán transistor truyền thống.

Lúc ấy, cũng đã có những người khẳng định rằng, từ khám phá thuốc chữa bệnh mới, cho tới nghiên cứu phát triển AGI, sắp có thể tận dụng sức mạnh của công nghệ máy tính lượng tử để phục vụ loài người.

Mikhail Lukin, giáo sư ngành vật lý đại học Harvard, đồng sáng lập startup máy tính lượng tử QuEra nói: “Thời điểm máy tính lượng tử được lý thuyết hóa, nhiều người, kể cả những người đi đầu trong ngành khoa học máy tính trên toàn thế giới, từng tưởng rằng nó sẽ không thể nào trở thành một ý tưởng thực tế. Những gì diễn ra trong năm 2024 cho thấy, máy tính lượng tử không còn là thứ công nghệ khoa học viễn tưởng nữa.”

Nhắc lại phép tính mà Willow hoàn thành trong vòng 5 phút. Phép tính toán học mà các nhà nghiên cứu tại Google bắt hệ thống được trang bị Willow thực hiện chỉ là một bài kiểm tra, được thiết kế để thể hiện rõ ràng nhất những tiến bộ của ngành điện toán lượng tử. Nó không phải một vấn đề khiến nhân loại đau đầu cả thế kỷ qua, cũng không phải thứ gì có thể giúp ích cho tương lai của loài người.

Một điều nữa cần đề cập, và cũng là nguyên nhân khiến mọi cỗ máy tính lượng tử đang được nghiên cứu hiện giờ phải được hạ xuống ngưỡng nhiệt độ tiệm cận 0K, là vì nhiệt tạo ra sai số nhiệt, những hạt hạ nguyên tử bên trong con chip sẽ bị rung động vì nhiệt, từ đó những giá trị đo đạc được khi tính toán gặp sai số nghiêm trọng.

Để giải quyết vấn đề này, Willow trong toàn bộ hệ thống máy tính lượng tử của Google ứng dụng một giải pháp chỉnh lỗi. Có một khái niệm gọi là “giới hạn chỉnh lỗi”, cột mốc mà các nhà khoa học máy tính đã hướng tới trong vài chục năm. Và trong báo cáo nghiên cứu khoa học mà Google đăng trên tờ tạp chí Nature, hệ thống với Willow của họ đã vượt qua giới hạn này.

Đương nhiên, theo lời của nhà vật lý lý thuyết John Preskill tại viện công nghệ California: “Thứ chúng ta thực sự muốn thấy những cỗ máy này làm được, đó là chạy nhưng chương trình mà con người thực sự quan tâm. Dù rằng thời điểm ấy vẫn còn cách chúng ta vài chục năm nữa, nhưng rồi tác động và giá trị của máy tính lượng tử sẽ hiện hữu trong cuộc sống hàng ngày của con người.”

Qubit, và những gì nằm giữa 0 và 1

Mấy ngày qua, mình dịch và gửi tới anh em cả loạt bài của Techspot, mô tả từ lý thuyết điện toán nhị phân cho tới quy trình sản xuất ra một con chip vi xử lý phổ biến trong máy tính và smartphone của anh em. Ở trung tâm và ở tầng cơ bản nhất, là những transistor bán dẫn, bật và tắt để tính toán những giá trị 0 và 1 độc lập. Mỗi “mảnh” giá trị ấy gọi là 1 bit.

Nhưng máy tính lượng tử hoạt động theo kiểu khác.

Nếu như hệ nhị phân như 2 mặt của 1 đồng xu, hoặc úp hoặc ngửa, thì qubit giống như được nâng cấp hơn. Cũng là đồng xu đó, nhưng thay vì chỉ có úp hoặc ngửa, anh em tưởng tượng rằng đồng xu này đang xoay, và lúc xoay, nó sẽ có thêm 1 trạng thái đặc biệt mới – superposition – trạng thái kết hợp chồng lấp của cả úp và ngửa cùng lúc. Với 2 đồng xu đang xoay chúng tạo ra 4 trạng thái đồng thời. Quantum computer dựa trên những “đồng xu” qubit này, nhờ đó sức mạnh tính toán của máy tính lượng tử tăng lên theo cấp số nhân.

Nhưng qubit ấy được phát triển dựa trên những vật liệu kim loại đặc biệt. Từ IBM tới Intel, từ Google tới Microsoft, tất cả đều nghiên cứu theo hướng tạo ra những vật liệu có khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ cực thấp.

Một “con chip” máy tính lượng tử có càng nhiều qubit, thì sức mạnh của hệ thống tính toán càng khủng khiếp, đương nhiên với một điều kiện, là con người có thể đọc những giá trị qubit một cách chính xác. Vì thế, luôn phải triệt tiêu tới mức tối đa sai số nhiệt.

Máy tính lượng tử hiện tại rất nhạy cảm, cần có điều kiện áp suất, nhiệt độ rất cụ thể để có thể hoạt động chính xác. Người ta tạo ra môi trường lý tưởng để đặt máy tính lượng tử, nơi không có áp suất khí quyển, nhiệt độ môi trường gần độ 0 tuyệt đối, tách biệt khỏi từ trường Trái Đất để ngăn các nguyên tử di chuyển, va chạm hay tương tác với nhau. Để có nhiệt độ hoạt động cần thiết, các máy tính lượng tử phải ngâm trong helium lỏng, và để tránh nhiễu từ trường, chúng được niêm phong cách xa các máy tính thông thường dùng để điều khiển nó.

Microsoft Majorana 1

Đó là lúc chúng ta phải bàn về cách Microsoft kết hợp những tính chất tối ưu và lý tưởng nhất giữa hai dạng vật chất bán dẫn và siêu dẫn. Thực tế thì khái niệm “topological qubit” không hề mới. Lý thuyết căn bản đã được một nhà vật lý người Mỹ gốc Nga, Alexei Kitaev đưa ra vào năm 1997. Rồi đầu thập niên 2000, các nhà khoa học và các kỹ sư của Microsoft đã bắt đầu nghiên cứu tìm cách biến lý thuyết này trở thành thực tiễn.

Cuộc nghiên cứu tạo ra Majorana I chính là cuộc nghiên cứu diễn ra trong khoảng thời gian dài nhất của tập đoàn Microsoft. CEO Satya Nadella của Microsoft nói trong một cuộc phỏng vấn: “Đây là thứ mà cả ba vị CEO trong suốt chiều dài lịch sử tập đoàn đều đặt cược vào nó,” ám chỉ việc từ Bill Gates, cho tới Steve Ballmer rồi giờ là cả Satya Nadella, cả ba vị giám đốc điều hành tập đoàn đều đặt niềm tin vào nghiên cứu để biến topological qubit trở thành hiện thực.

Majorana I kết hợp hai nguyên liệu. Thứ nhất là một dạng chất bán dẫn có tên indium arsenide. Và thứ hai, quen thuộc hơn rất nhiều, là nhôm, thứ vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cực thấp. Khi được làm lạnh ở ngưỡng âm 240 độ C, hai vật liệu này kết hợp lại với nhau, tạo ra những tính chất không thể có được ở nhiệt độ bình thường.

Anh em hãy ngồi lại một chút với mình để bàn về lý thuyết khô khan và khó hiểu về topological qubit. Năm 1997, nhà vật lý Alexei Kitaev đặt ra một lý thuyết, sử dụng những dạng bán hạt mang tên anyon trong một hệ thống bề mặt hai chiều. Đường đi của các anyon trong tổng thể không gian – thời gian 4 chiều tạo ra những đường dây, đan xen lồng ghép lại với nhau để tạo ra những kết nối không khác gì những… bím tóc đuôi sam của các chị em, thể hiện trong tổng thể không gian 3 chiều.

Những đường đan xen này chính xác là những cổng logic để tính toán bên trong con chip máy tính lượng tử. Càng nhiều anyon, số lượng cổng logic càng nhiều, và kết hợp với lý thuyết qubit cơ bản đề cập trên đây, lý thuyết này là nền tảng để tạo ra một hệ thống máy tính lượng tử có thể tính toán vô hạn phép tính cùng một lúc…

Quay trở lại với Majorana 1. Trang chủ của Microsoft viết như thế này: “Topologic conductor, là một loại vật liệu đặc biệt có thể tạo ra một trạng thái vật chất hoàn toàn mới – không phải rắn, lỏng hay khí mà là trạng thái siêu dẫn topo. Lý thuyết này được khai thác để tạo ra một qubit ổn định hơn, nhanh hơn, nhỏ gọn hơn và có thể được điều khiển kỹ thuật số, mà không cần những sự đánh đổi mà các giải pháp hiện tại yêu cầu. Kiến trúc topological qubit của Microsoft có các dây nano nhôm được nối lại để tạo thành chữ H. Mỗi chữ H có bốn Majorana có thể điều khiển và tạo thành một qubit. Các chữ H này cũng có thể được kết nối và sắp xếp trên chip như nhiều viên gạch.”

Nền tảng kiến trúc cho tương lai

Nói là mang tính cách mạng, nhưng Majorana 1 của Microsoft chỉ bao gồm 8 topological qubit. Toàn bộ hệ thống, Microsoft thừa nhận, cũng chưa thể thực hiện tính toán được một thứ gì thực sự đem lại giá trị có ích cho nhân loại, hay thay đổi hoàn toàn xu hướng điện toán. Các nhà nghiên cứu cũng khẳng định rằng, họ kỳ vọng những gì tạo ra với Majorana 1 sẽ là nền tảng kiến trúc để phát triển được thứ mạnh hơn rất nhiều trong tương lai.

Nhiều nhà khoa học nói rằng, nếu Microsoft hoàn thiện được công nghệ topological qubit dựa trên lý thuyết của giáo sư Kitaev, quá trình chỉnh lỗi khi đọc giá trị qubit lưu trữ sẽ trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.

Vấn đề nó lại nằm ở chỗ này. Khi cố gắng đọc dữ liệu ở trạng thái superposition của một qubit, qubit này sẽ xảy ra tình trạng “đứt mạch lạc” – decohere, và trở về một trong hai giá trị cơ bản: 0 hoặc 1. Điều này đồng nghĩa với việc nếu cố đọc dữ liệu qubit lưu trữ, mọi lợi thế của máy tính lượng tử sẽ biến mất, chúng vận hành chẳng khác gì một cỗ máy với hàng tỷ transistor quen thuộc với anh em.

Vậy là các nhà khoa học đã, đang và sẽ phải giải quyết một vấn đề cơ bản nhất của máy tính lượng tử: Làm thế nào xây dựng và ứng dụng một cỗ máy tính điện toán khi cứ cố dùng là nó sẽ không hoạt động như ý muốn?

Đấy chính là những gì IBM, Intel, Google và Microsoft đang tìm cách giải quyết. Những thuật toán điều chỉnh lỗi sai qubit của Google với Willow là một trong số những giải pháp như vậy. Còn Microsoft thì tin rằng, topological qubit vận hành theo cách khác so với những dạng vật liệu khác cấu thành ra những qubit đang được các đơn vị khác nghiên cứu, vì thế trên lý thuyết, khó xảy ra tình trạng đứt mạch lạc hơn, khi chúng ta đọc dữ liệu mà chúng lưu trữ.

Chẳng phải tự nhiên mà Philip Kim, giáo sư ngành vật lý đại học Harvard cho rằng: “Nếu mọi thứ đi đúng hướng, nghiên cứu của Microsoft sẽ mang tính cách mạng.”

Nhưng, để công bằng, thì chúng ta cũng có một ý tưởng ngược lại. Đó là ý kiến của giáo sư ngành vật lý lý thuyết Jason Alicea của viện công nghệ California. Ông đặt nghi ngờ về việc liệu Microsoft có thực sự đã thành công trong việc tạo ra những topological qubit hay không, cùng lúc cho biết, cách vận hành của những hệ thống điện toán lượng tử cũng rất khó chứng minh:

“Trên lý thuyết, topological qubit là thứ khả thi, và mọi người đều đồng tình rằng nó là mục tiêu xứng đáng để bỏ công sức và thời gian nghiên cứu. Nhưng bạn cũng sẽ phải xác thực được rằng, một thiết bị vận hành theo cách không giống như bình thường như lý thuyết đã dự đoán. Nếu không, thực tế sẽ không màu hồng đối với tương lai của ngành điện toán lượng tử. May mắn là Microsoft đã có điều kiện để thử điều đó.”

Tổng hợp