Microsoft kiến tạo thành công trạng thái lượng tử không có trong tự nhiên

Dự án nghiên cứu máy tính lượng tử Azure Quantum của Microsoft vừa chế tạo thành công một thiết bị đặc biệt, có khả năng sản sinh đặc tính lượng tử vốn đã được khoa học đề cập tới từ lâu nhưng chưa một lần được thực hiện thành công trong thế giới thực.

Đây là đột phá mấu chốt để sản sinh thành công bit lượng tử (qubit) mới, có tính ổn định cao, và làm tiền đề phát triển một cỗ máy tính lượng tử với quy mô lớn.

Microsoft kiến tạo thành công trạng thái lượng tử không có trong tự nhiên
Chip lượng tử do Microsoft chế tạo.

“Thật tuyệt vời khi thấy con người có thể kiến tạo ra một trong những khía cạnh kỳ lạ của vật lý trong vũ trụ. Và chúng tôi mong có thể tận dụng nó để làm thứ tưởng như bất khả thi - là sản xuất máy tính lượng tử có mức sai sót chấp nhận được, rồi đẩy ngành điện toán tới một tầm cao mới, gần tới mức thế giới tự nhiên vận hành”, Krysta Svore, kỹ sư Microsoft và cũng là người dẫn dắt chương trình phát triển phần mềm lượng tử cho hay.

Được xây dựng dựa trên nhiều công trình nghiên cứu trải dọc hai thập kỷ và những nỗ lực chế tạo các chương trình giả lập tiên tiến, nhóm Azure Quantum chế tạo được thiết bị sản sinh ra trạng thái tô pô của vật chất đang bị kẹo trong một cặp phương thức Majorana số không*.

*Lược sử Majorana zero mode - MZM, tạm dịch là phương thức Majorana số không (theo tạp chí đăng tải nghiên cứu khoa học PNAS):

Năm 1937, nhà vật lý lý thuyết người Ý Ettore Majorana chỉ ra rằng, không giống công thức của Dirac vốn mô tả electron và phản hạt positron của nó, còn tồn tại một trạng thái khác nữa, nơi hạt có tính fermi cũng chính là phản hạt** của nó. Cho dù hạt này vẫn chưa được các nhà nghiên cứu vật lý hạt phát hiện (tính tới trước thời điểm này), giả thuyết cho rằng một cặp trạng thái Majorana vẫn có thể tồn tại ở điểm cuối của một dây siêu dẫn được thiết kế theo một cách đặc biệt.

Những phương thức Majorana số không này có thể tạo thành qubit cho một cỗ máy tính lượng tử sở hữu mức sai số chấp nhận được.

** Phản hạt: trong vật lý hạt, với mỗi loại hạt sẽ tồn tại một phản hạt có cùng khối lượng nhưng lại mang đặc tính trái ngược (ví dụ như điện tích trái nhau khi xét về tính điện từ, hay màu tích trái nhau khi xét tới giả thuyết bảng màu tương tác lượng tử QCD).

Theo như những gì ta đang biết, trạng thái lượng tử đặc biệt MZM không tồn tại trong tự nhiên, chỉ có thể xuất hiện trong những điều kiện vô cùng chính xác. Đã từ lâu, khoa học tìm cách kiến tạo chúng trong phòng thí nghiệm.

Ở thời điểm này, nhóm nghiên cứu Azure Quantum đã có thể tạo ra thứ gọi là trạng thái tô pô, đồng thời đo đạc được khoảng cách tô pô và đánh giá được tính ổn định của trạng thái.

Microsoft kiến tạo thành công trạng thái lượng tử không có trong tự nhiên
Tổ hợp thiết bị dùng để giữ cho máy tính lượng tử chạy ổn định trong môi trường cực lạnh.

Từ đây, Microsoft có thể tạo ra một qubit đặc biệt, được gọi là qubit tô pô. Theo Microsoft, cỗ máy lượng tử tương lai của họ sẽ có tính ổn định cao hơn so với những loại qubit khác, từ đó quy mô của nó có thể chạm tới đỉnh cao chưa ai ngờ. Máy tính lượng tử, vốn được coi là bước tiến hóa tiếp theo của máy tính và siêu máy tính, sẽ tận dụng cơ học lượng tử (trường phái khoa học mô tả hoạt động của hạt hạ nguyên tử) để xử lý thông tin theo những cách thức, quy mô con người chưa mường tượng tới.

“Tìm ra được cách xóa bỏ nạn đói cũng như cứu Trái Đất khỏi biến đổi khí hậu sẽ yêu cầu ta khám phá, tối ưu hạt phân tử, tác vụ vốn bất khả thi với máy tính cổ điển, và đó là lúc máy tính lượng tử cứu cánh”, chủ tịch mảng lượng tử của Microsoft Zulfi Alam nhận định.

Tuy nhiên, trước khi những kế hoạch đầy tham vọng trở thành sự thực, Azure Quantum ước tính máy tính lượng tử phải mạnh ít nhất 1 triệu qubit. Hiện tại, các hệ thống máy tính lượng tử không áp dụng kỹ thuật của Microsoft mới chỉ mạnh hơn 100 qubit, chưa kể việc tăng quy mô những cỗ máy tính vẫn còn là bài toán khó giải.

Đó là lý do Azure Quantum tập trung nghiên cứu qubit tô pô, được cho là nhanh hơn, kích cỡ nhỏ hơn, và ít mất mát dữ liệu hơn những qubit thông thường. Suốt năm qua, đội nghiên cứu phần cứng của Azure Quantum đã làm việc không ngừng nghỉ để thử nghiệm, chứng minh trạng thái lượng tử mới là ổn định.

Microsoft kiến tạo thành công trạng thái lượng tử không có trong tự nhiên
Hiện các nhà nghiên cứu Microsoft đã tiến hành bước lắp ráp thiết bị máy tính lượng tử.

Các chuyên gia tại Phòng thí nghiệm Vật liệu Lượng tử Copenhagen của Microsoft cũng bỏ ra nhiều năm nghiên cứu, hoàn thiện kỹ thuật cho phép kỹ sư tạo ra những cỗ máy chính xác ở mức nguyên tử. Nhờ những nỗ lực không biết mệt mỏi, Microsoft đã có được đột phá mới.

Tuy nhiên, các lãnh đạo mảng lượng tử của Microsoft chưa dám lạc quan, khi khối lượng công việc trước mắt vẫn còn nhiều vô kể. Một cỗ máy tính lượng tử có thể tăng quy mô theo ý muốn vẫn còn là ước mơ ở thời điểm hiện tại.

Nhưng với đột phá mới, đi kèm sự xuất hiện của những hệ thống giả lập tiên tiến và những thiết với độ chính xác cực cao, dự án đã dần được định hình, không còn nằm hoàn toàn trong vòng bí ẩn.

“Không còn chướng ngại vật lớn nào trong sản sinh qubit tô pô nữa”, quản lý cấp cao Lauri Sainiemi nhận định. “Điều này không có nghĩa chúng tôi đã xong việc - vẫn còn hàng tấn việc cần làm. Nhưng những vấn đề cơ bản đã có câu trả lời, và giờ chúng tôi đang tiếp cận các vấn đề kỹ thuật và đó sẽ là thứ chúng tôi theo đuổi”.

Từ khóa liên quan: