Đột phá trong chế tạo máy tính lượng tử: Tiêu thụ năng lượng ít hơn 2.000 lần, nhưng chạy nhanh hơn 200 lần siêu máy tính thông thường

Một công ty khởi nghiệp Canada vừa tạo ra bước ngoặt lịch sử trong lĩnh vực máy tính lượng tử, hứa hẹn mang đến những cỗ máy có thể vượt trội hơn hẳn các siêu máy tính mạnh nhất hiện nay về cả tốc độ xử lý và hiệu quả năng lượng.

Nord Quantique, startup công nghệ có trụ sở tại Canada, đã công bố thành công trong việc phát triển một loại bit lượng tử hoàn toàn mới với khả năng tự sửa lỗi tích hợp sẵn. Đây được coi là "bước đầu tiên trong vật lý ứng dụng" và mở ra con đường thiết thực hướng tới những máy tính lượng tử có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

Phát minh này giải quyết một trong những thách thức lớn nhất của ngành máy tính lượng tử: làm thế nào để duy trì tính toàn vẹn của thông tin lượng tử theo thời gian. Các bit lượng tử, hay còn gọi là qubit, cực kỳ nhạy cảm với nhiệt, rung động và nhiễu điện từ, ngay cả khi được làm lạnh xuống gần độ 0 tuyệt đối (âm 273 độ C).

Để giải quyết vấn đề này, các hệ thống máy tính lượng tử truyền thống thường sử dụng phương pháp sửa lỗi lượng tử bằng cách kết hợp nhiều bit vật lý để tạo thành một đơn vị logic duy nhất. Tuy nhiên, cách tiếp cận này đòi hỏi hàng chục thậm chí hàng trăm bit vật lý để tạo ra một bit logic, khiến máy tính lượng tử trở nên cồng kềnh, phức tạp và tốn rất nhiều năng lượng.

Đột phá của Nord Quantique nằm ở việc tạo ra một hệ thống có thể sử dụng chỉ một thành phần vật lý duy nhất để thực hiện vai trò của một bit logic. Điều này có nghĩa là tỷ lệ giữa bit vật lý và bit logic là 1-1, giảm đáng kể kích thước và độ phức tạp của máy tính lượng tử.

Trung tâm của thiết kế này là một khoang nhôm siêu dẫn được gọi là bộ cộng hưởng, được làm lạnh gần nhiệt độ tuyệt đối. Khoang này chứa các hạt ánh sáng lưu trữ thông tin lượng tử trong những mẫu điện từ cụ thể được hình thành bên trong bộ cộng hưởng. Những mẫu này, được gọi là "chế độ", mỗi cái đại diện cho một cách khác nhau mà trường điện từ có thể cộng hưởng bên trong khoang, cho phép cùng một trạng thái lượng tử được mã hóa song song.

Bằng cách phân phối thông tin qua nhiều chế độ trong cùng một cấu trúc vật lý, bit lượng tử có thể tự động nhận biết và sửa một số loại nhiễu nhất định. Nếu một chế độ bị gián đoạn, các chế độ khác sẽ cung cấp đủ thông tin để khôi phục trạng thái chính xác. Phương pháp này, được gọi là mã hóa đa chế độ, giúp mỗi bit lượng tử có khả năng chống lỗi nội tại mà không cần hệ thống sửa lỗi bên ngoài.

Để tăng cường khả năng chống lỗi, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một loại mã đặc biệt gọi là Tesseract. Mã này giúp bảo vệ chống lại các lỗi lượng tử phổ biến như đảo bit, đảo pha, lỗi điều khiển và rò rỉ - tình trạng bit lượng tử trượt vào trạng thái không thuộc hệ thống được sử dụng để lưu trữ và xử lý thông tin.

Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu quả đáng kinh ngạc của hệ thống mới. Các nhà nghiên cứu ước tính rằng một máy tính lượng tử 1.000 bit logic được xây dựng trên kiến trúc này sẽ chỉ chiếm khoảng 20 mét vuông và tiêu thụ chỉ một phần nhỏ năng lượng so với các hệ thống hiệu suất cao hiện tại.

Để minh họa sức mạnh của công nghệ mới, các nhà khoa học đã so sánh hiệu suất trong việc phá mã RSA 830-bit - một trong những chuẩn mã hóa phổ biến nhất hiện nay. Máy tính lượng tử sử dụng kiến trúc mới chỉ cần một giờ và tiêu thụ 120 kilowatt-giờ năng lượng. Ngược lại, một siêu máy tính sẽ cần đến chín ngày và 280.000 kilowatt-giờ để giải quyết cùng một bài toán.

Trong quá trình thử nghiệm độ tin cậy, các nhà nghiên cứu đã tiến hành nhiều vòng sửa lỗi liên tiếp và lọc bỏ các kết quả mà bit lượng tử không hoạt động đúng như dự định. Khoảng 12,6% các lần chạy đã bị loại bỏ, nhưng trong dữ liệu còn lại, bit lượng tử đã duy trì trạng thái của mình qua 32 vòng sửa lỗi mà không có sự suy giảm đo được nào.

Julien Camirand Lemyre, giám đốc điều hành của Nord Quantique, cho biết: "Số lượng bit vật lý dành cho việc sửa lỗi lượng tử luôn là thách thức lớn đối với ngành của chúng tôi. Mã hóa đa chế độ cho phép chúng tôi xây dựng máy tính lượng tử với khả năng sửa lỗi xuất sắc mà không cần quá nhiều bit vật lý."

Công ty đã đặt ra lộ trình tham vọng cho tương lai. Nord Quantique dự định ra mắt máy tính lượng tử 100 bit logic vào năm 2029, sau đó là hệ thống 1.000 bit hoàn chỉnh vào năm 2031. Ngoài kích thước nhỏ hơn và tính thực tế cao hơn, những máy tính này cũng sẽ tiêu thụ một phần nhỏ năng lượng so với các hệ thống hiện tại, khiến chúng đặc biệt hấp dẫn đối với các trung tâm điện toán hiệu suất cao, nơi chi phí năng lượng là mối quan tâm hàng đầu.

(Theo livescience)