Trong 30 năm, các nhà nghiên cứu đã theo đuổi chủ đề siêu máy tính lượng tử, một công cụ có thể giải quyết bất cứ bài toán nào, với những mức độ thành công khác nhau. Hiện tại, một nhóm nghiên cứu của Google ở California và Tây Ban Nha đã tiến hành một thí nghiệm sử dụng công cụ này để giải quyết nhiều vấn đề trong lĩnh vực hóa học và vật lý, và có khả năng thiết bị này sẽ được tăng cường cùng những hệ thống lớn hơn.

Máy tính kỹ thuật số mã hóa dữ liệu dưới dạng nhị phân, nghĩa là mỗi bit được gán cho giá trị hoặc 0 hoặc 1. Tính toán lượng tử sử dụng các bit lượng tử ở trạng thái chồng chập để tính toán. Điều này có nghĩa là 1 bit lượng tử (qubit – đơn vị cơ bản của thông tin trong điện toán lượng tử) có thể cùng lúc tồn tại giá trị 0 và 1.

Cả Công ty IBM và một công ty Canada có tên gọi là D-Wave đã tạo chiếc máy tính lượng tử hoạt động sử dụng những phương pháp tiếp cận khác nhau. Nhưng những sản phẩm của họ không dễ dàng gì để nhân rộng  các bit lượng tử với số lượng đủ lớn nhằm giải quyết những bài toán mà máy tính cổ điển không làm được.

Gần đây, các nhà khoa học máy tính tại phòng thí nghiệm nghiên cứu của Google ở Santa Barbara, California và các nhà vật lý ở đại học California và đại học Basque Country tại Bilbao, Tây Ban Nha, đã mô tả thiết bị trực tuyến mới của họ về điện toán lượng tử trên tạp chí Nature.

“Đó là một nghiên cứu thực sự tuyệt vời, và nó sẽ mang đến những giá trị lớn lao cho cộng đồng điện toán lượng tử”, chuyên gia điện toán lượng tử tại đại học Nam California Daniel Lidar, cho biết.

Thí nghiệm của Google kết hợp hai phương pháp tiếp cận chính để tiến hành tính toán lượng tử. Một cấu trúc tiếp cận là mạch kỹ thuật số của máy tính sử dụng các qubits được sắp xếp theo trật tự nhằm giải quyết một bài toán cụ thể. Cách này tương tự như việc ta sử dụng mạch kỹ thuật số đối với một bộ vi xử lý thông thường được tạo bởi các bit cổ điển.

Rất nhiều lý thuyết tính toán lượng tử làm  cơ sở cho cách tiếp cận này, trong đó có phương pháp sửa lỗi giúp tránh sai hỏng trong tính toán. Cho đến nay, trên thực tế mới chỉ thực hiện được với số lượng các qubits nhỏ.

Tiếp cận với kỹ thuật điện tử tương tự

Thứ hai là phương pháp tiếp cận với kỹ thuật điện tử tương tự. Cách tiếp cận này còn gọi là tính toán lượng tử đoạn nhiệt (AQC). Ở đây, máy tính mã hóa một bài toán được đưa ra dưới dạng một nhóm các qubits, sau đó từng bước phát triển và điều chỉnh các mối tương tác giữa chúng để “định dạng” trạng thái lượng tử tập thể giữa chúng và tìm ra lời giải cho bài toán. Về lý thuyết, bất cứ bài toán nào cũng có thể mã hóa được bởi một nhóm các qubits.

Cách tiếp cận điện tử tương tự bị giới hạn bởi hiệu ứng chồng chập lượng tử. Trong đó những sai hỏng sẽ không được chữa lại một cách có hệ thống giống như ở trong mạch kỹ thuật số. Và cũng không có gì đảm bảo rằng phương pháp này có thể giải quyết mọi bài toán một cách hiệu quả, chuyên gia máy tính Rami Barends, một thành viên của nhóm nghiên cứu Google cho biết.

Đến nay, chỉ có duy nhất một loại máy sử dụng điện toán lượng tử đoạn nhiệt (AQC) của công ty D-Wave được thương mại hóa với giá bán 15 triệu đô la. Hệ thống của máy này gồm 128 qubits. Google đã sở hữu một chiếc D-Wave, nhưng Barends và các cộng sự nghĩ rằng có lẽ sẽ có cách tốt hơn so với việc sử dụng phương pháp AQC.

Cụ thể, họ muốn tìm ra cách để thực hiện phép sửa lỗi. Nếu không, sẽ rất khó để mở rộng AQC, bởi vì các lỗi sai sẽ nhân lên rất nhanh trong toàn bộ hệ thống. Nhóm nghiên cứu nghĩ bước đầu tiên là cần đạt tới sự kết hợp giữ phương pháp AQC và khả năng sữa lỗi của cách tiếp cận điện tử số.

Hóa học ảo

Để thực hiện điều này, nhóm nghiên cứu Google sử dụng một hàng gồm 9 qubits ở trạng thái rắn định hình trên tấm phim bằng nhôm có hình chữ thập có bề dày vào khoảng 400 micrometers. Rồi sau đó được dán lên bề mặt của ngọc saphie. Các nhà nghiên cứu duy trì nhiệt độ của tấm phim nhôm ở 0.02^oK, biến miếng kim loại thành một chất siêu dẫn có điện trở bằng 0. Mọi thông tin sẽ được mã hóa bởi các qubits trong trạng thái siêu dẫn của chúng.

Quá trình tương tác giữa các qubits lân cận nhau được điều khiển bởi các “cổng lô gic” nhằm đứa các đơn vị lượng tử số (qubits digitally) vào trạng thái mã hóa khi giải quyết bài toán. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng nghiên cứu của họ để mô phỏng một dãy các nguyên tử có từ tính ở cùng trạng thái spin - một vấn đề đã được khám phá hoàn toàn trong ngành vật lý (học) chất ngưng tụ. Sau đó, họ có thể dựa trên các qubits để xác định tập hợp các mức năng lượng thấp nhất của spin trong nguyên tử đại diện.

Đây là một vấn đề khá đơn giản mà máy tính cổ điển có thể giải quyết. Những thiết bị mới của Google cũng có thể giải quyết cả những vấn đề “phi ngẫu nhiên”, đây là điều mà máy tính cổ điển không thể làm được. Bao gồm cả bài toán mô phỏng tương tác giữa nhiều electron, vấn đề này cần những máy tính có thể mô phỏng chính xác trong hóa học. Khả năng mô phỏng phân tử và vật liệu ở cấp độ lượng tử có thể là một trong những ứng dụng có giá trị nhất của máy tính lượng tử.

“Cách tiếp cận mới này có thể cho phép máy tính sửa lỗi lượng tử”, Lidar nói. Mặc dù các nhà khoa học vẫn chưa chứng minh được điều đó trong thí nghiệm với thiết bị 9-qubits này.

“Với tính năng sửa lỗi, phương pháp này của chúng tôi sẽ trở thành một thuật toán được ứng dụng rộng rãi. Về nguyên tắc, có thể mở rộng khả năng của một máy tính lượng tử đến vô hạn”, theo Alizera Shabani, một thành viên khác của nhóm nghiên cứu Google.

Thiết bị của Google vẫn còn khá sơ khai. Nhưng Lidar nói rằng, trong một vài năm tới, việc phát triển thiết bị với hơn 40 qubits có thể trở thành hiện thực.

“Vào thời điểm đó”, ông nói “nó sẽ có thể mô phỏng được động học lượng tử, một lĩnh vực không thể tiếp cận được bởi những phần cứng cổ điển, từ đó một kỷ nguyên mới về ‘uy lực tuyệt đối của của thuyết lượng tử’ sẽ mở ra.”