Gửi bình luận
Một bước nhảy vọt chưa từng có trong lĩnh vực vật lý ứng dụng vừa được công bố: các nhà nghiên cứu tại công ty khởi nghiệp Nord Quantique (Canada) đã chế tạo thành công một loại qubit vật lý mới tích hợp khả năng sửa lỗi.
Theo Live Science, đây được xem là cột mốc mở ra một tương lai khả thi cho điện toán lượng tử quy mô lớn, không còn là những cỗ máy cồng kềnh chỉ hoạt động được trong phòng thí nghiệm, mà là hệ thống nhỏ gọn có thể đặt gọn trong trung tâm dữ liệu thương mại.
Điều đáng chú ý, thiết kế này không chỉ nhỏ gọn và hiệu quả về năng lượng, mà còn có thể giúp máy tính lượng tử vượt xa siêu máy tính hiện đại cả về tốc độ lẫn tiêu thụ điện năng.
Hiện nay, các máy tính lượng tử tiên tiến thường yêu cầu hàng chục đến hàng trăm qubit vật lý để tạo ra một qubit logic duy nhất có khả năng sửa lỗi, nhằm chống lại ảnh hưởng của nhiệt, rung động hay nhiễu điện từ. Chính vì vậy, phần lớn máy tính lượng tử hiện tại rất lớn, phức tạp và tiêu tốn điện năng khổng lồ.
Tuy nhiên, hệ thống mới của Nord Quantique đã thay đổi hoàn toàn bài toán đó. Thay vì dựa vào cụm qubit để dự phòng và sửa lỗi, mỗi qubit vật lý trong hệ thống mới đã tự “biết” cách sửa lỗi cho chính nó, nhờ cơ chế mã hóa đa chế độ (multimode encoding) tích hợp trực tiếp vào phần cứng.
Theo kế hoạch, đến năm 2031, công ty sẽ phát hành một máy tính lượng tử 1.000 qubit logic với thiết kế đủ nhỏ để đặt trong không gian chỉ khoảng 20m2, tương đương một phòng máy cỡ vừa, và tiêu thụ điện năng ít hơn hàng nghìn lần so với các hệ thống hiệu năng cao hiện nay.
Trung tâm của thiết kế đột phá này là một khoang cộng hưởng boson siêu dẫn bằng nhôm, được làm lạnh gần độ không tuyệt đối để chứa và kiểm soát các photon. Thay vì sử dụng nhiều qubit vật lý như trước, thiết bị này lưu trữ thông tin lượng tử qua các mẫu điện từ khác nhau gọi là “chế độ”.
Mỗi chế độ biểu thị một cách dao động riêng của trường điện từ bên trong khoang cộng hưởng, và khi thông tin được mã hóa lên nhiều chế độ cùng lúc, hệ thống có thể phát hiện và sửa các lỗi nhỏ nếu một chế độ bị nhiễu.
Nhờ đó, Nord Quantique đạt được tỷ lệ 1:1 giữa qubit vật lý và qubit logic, điều mà các nền tảng lượng tử trước đây chỉ mơ ước.
Theo tính toán của các nhà nghiên cứu, một máy tính lượng tử 1.000 qubit sử dụng kiến trúc bosonic có thể phá giải mã hóa RSA 830-bit chỉ trong 1 giờ và chỉ tiêu thụ khoảng 120 kilowatt/giờ điện năng, trong khi một siêu máy tính hiện tại sẽ cần đến 9 ngày và khoảng 280.000 kilowatt/giờ cho cùng một bài toán - tức nhanh hơn 200 lần và tiết kiệm điện hơn 2.000 lần, đánh dấu một bước tiến lớn đưa công nghệ lượng tử tiến gần hơn đến ứng dụng thực tế.
Rò rỉ là loại lỗi đặc biệt nguy hiểm và khó sửa, bởi phần lớn kỹ thuật sửa lỗi chỉ phát hiện được các lỗi trong tập hợp trạng thái đã biết. Mã Tesseract giúp mở rộng khả năng giám sát và sửa lỗi ngay cả với các trạng thái nằm ngoài dự đoán.
Để tăng cường khả năng chịu lỗi, hệ thống sử dụng một kỹ thuật gọi là mã boson Tesseract - một phương pháp mã hóa tiên tiến giúp bảo vệ qubit khỏi các lỗi phổ biến như lỗi lật bit (bit flip), lỗi lật pha (phase flip), lỗi điều khiển (control errors) và lỗi rò rỉ, khi qubit trượt khỏi trạng thái lượng tử hợp lệ.
Để kiểm chứng độ tin cậy, nhóm nghiên cứu đã thực hiện nhiều vòng thử nghiệm sửa lỗi và phát hiện rằng khoảng 12,6% các phiên chạy bị loại bỏ do qubit không hoạt động như mong đợi, nhưng trong các phiên còn lại, qubit duy trì trạng thái ổn định qua 32 vòng sửa lỗi liên tiếp mà không có dấu hiệu suy giảm — một minh chứng rõ ràng rằng mã hóa đa chế độ có thể bảo toàn trạng thái lượng tử một cách bền vững và hiệu quả hơn so với nhiều nền tảng hiện tại.
Theo kế hoạch, Nord Quantique sẽ giới thiệu máy tính lượng tử 100 qubit logic vào năm 2029, trước khi tung ra phiên bản 1.000 qubit đầy đủ vào năm 2031. Cả hai hệ thống đều hướng tới tính nhỏ gọn, khả năng mở rộng cao và tiết kiệm năng lượng, nhắm vào các trung tâm tính toán hiệu suất cao (HPC), nơi chi phí điện năng là yếu tố then chốt.
“Từ lâu, ngành công nghiệp này đã bị cản trở bởi số lượng qubit vật lý khổng lồ cần thiết cho sửa lỗi. Giờ đây, chúng tôi có thể xây dựng máy tính lượng tử mạnh mẽ, ổn định mà không phải hy sinh không gian hay điện năng”, Julien Camirand Lemyre, CEO của Nord Quantique, chia sẻ.
Thành tựu của Nord Quantique không chỉ là một cải tiến về kỹ thuật, nó là một bước ngoặt trong cách con người tiếp cận điện toán lượng tử. Việc tích hợp sửa lỗi ngay trong phần cứng không chỉ đơn giản hóa thiết kế, mà còn khiến công nghệ này dễ dàng ứng dụng hơn trong thực tế.
Siêu máy tính và máy tính lượng tử là hai loại công nghệ tính toán tiên tiến, nhưng chúng khác nhau về cách hoạt động và ứng dụng.
Siêu máy tính sử dụng hàng ngàn bộ vi xử lý truyền thống để thực hiện các phép tính phức tạp với tốc độ cực cao, đo bằng FLOPS (teraflops hoặc petaflops). Chúng phù hợp cho các tác vụ như mô phỏng khí hậu, phân tích dữ liệu lớn, và trí tuệ nhân tạo. Tuy nhiên, siêu máy tính vẫn bị giới hạn bởi kiến trúc nhị phân cổ điển, xử lý dữ liệu tuần tự hoặc song song nhưng không thể giải quyết một số vấn đề phức tạp trong thời gian khả thi.
Máy tính lượng tử, ngược lại, sử dụng qubit thay vì bit, tận dụng các nguyên lý cơ học lượng tử như siêu vị (superposition) và rối lượng tử (entanglement) để xử lý thông tin. Điều này cho phép chúng giải quyết các bài toán phức tạp, như tối ưu hóa hoặc phá mã mật, nhanh hơn nhiều so với siêu máy tính trong một số trường hợp cụ thể. Tuy nhiên, máy tính lượng tử hiện còn non trẻ, dễ bị nhiễu và chỉ hoạt động hiệu quả cho các ứng dụng chuyên biệt.
Tóm lại, siêu máy tính vượt trội về tính toán thông thường, trong khi máy tính lượng tử hứa hẹn cách mạng hóa các bài toán phức tạp nhưng vẫn đang phát triển.
