Sử dụng máy tính lượng tử mạnh nhất thế giới, các nhà nghiên cứu tái tạo chính xác được một phân tử và điều này rất quan trọng

Bằng hệ thống máy tính lượng tử mạnh nhất thế giới IBM Q, các kĩ sư đã dựng nên được cấu trúc phân tử của BeH2- một phân tử dù với chỉ hai hydro và một Beri nhưng vẫn rất phức tạp. Điều đó khiến thành công này trở thành một bước nhảy vọt không hề nhỏ trong công nghệ máy tính lượng tử và cả trong ngành hóa học.

Việc dựng mô hình giả lập của phân tử thì chẳng có gì mới, các hệ thống máy tính cổ điển đều có thể tạo nên những mô hình chi tiết của những chất hóa học có tới 3 nguyên tử. Nhưng kể cả những siêu máy tính mạnh mẽ nhất cũng gặp khó khăn trong việc theo dõi những tác động lượng tử của các electron mới xuất hiện trong các mối liên kết của phân tử, đó lại là lĩnh vực chuyên môn của máy tính lượng tử.

Những thiết bị mạnh mẽ này đang được nhiều nơi, nhiều tổ chức đầu tư nghiên cứu, mở ra một cuộc đua nhằm đạt được “uy thế lượng tử tối cao, ngôi vương lượng tử – quantum supremacy”. Đích cuối của họ là tạo ra được một máy tính lượng tử có thể vượt mặt được khả năng tính toán máy tính cổ điển, có thể mang vào đời sống để sử dụng.

Bên trong chiếc máy tính lượng tử.

Không sử dụng hệ nhị phân gồm 0 và 1 để lưu trữ dữ liệu, máy tính lượng tử sử dụng qubit – quantum bit, bit lượng tử, cho phép máy tính ghi dữ liệu ở nhiều trạng thái cùng lúc (ví dụ có thể là 0, có thể là 1 hoặc có thể cùng lúc là 0 và 1), cho phép nó xử lý được những phép tính phức tạp hơn.

Một trong những điều khó khăn trong việc sử dụng một hệ thống máy tính lượng tử, đó là phải giữ qubit ở một trạng thái ổn định nhất định, đủ lâu để có thể thực hiện phép tính. Máy tính lượng tử có càng nhiều qubit thì càng mạnh, nhưng cũng đồng thời càng khó điều khiển.

Đó là lý do vì sao máy tính lượng tử lại được tin tưởng giao phó trách nhiệm dựng nên mô hình của phân tử BeH2. Hóa học không đơn giản vậy đâu, và cái mô hình electron bay quanh hạt nhân không thực sự chính xác lắm. Có rất nhiều trường hợp có thể xảy ra, và sẽ ngày một phức tạp nếu như xung quanh các electron ấy xuất hiện thêm các hạt mới.

Thông thường, các nhà vật lý học sẽ sử dụng những phương pháp xử lý tắt để vượt qua vấn đề khó khăn này. Nhưng khi mà số lượng các hạt mang điện tăng lên, những “lối tắt” ấy sẽ vô dụng. Đó là lúc máy tính lượng tử thể hiện khả năng tính toán nhanh và siêu việt của mình: nó có thể tìm ra được những trạng thái chất một cách nhanh chóng.

Mục đích của việc tính toán sẽ là tạo ra một thuật toán hiệu quả để mô tả được mọi trường hợp của cách sắp xếp hạt trong phân tử gồm 3 nguyên tử trên. Họ đã thành công, cho thấy khả năng vượt trội của máy tính lượng tử trong tính toán, và tương lai xán lạn đang đứng trước mắt nó.

Cái ngày máy tính lượng tử vượt mặt được máy tính cổ điển có vẻ đang tới gần rồi. Hiện máy IBM Q của IBM là máy tính lượng tử mạnh nhất thế giới với 17 qubit – nhiều người cho rằng “uy thế lượng tử tối cao” sẽ được thiết lập tại mốc 50 qubit. Khi thời điểm ấy đến, không chỉ ngành hóa học được hưởng lợi – đừng để thí nghiệm này đánh lừa bạn! Mọi ngành, mọi khía cạnh sẽ được cải thiện đáng kể: từ nghiên cứu phát triển trí tuệ nhân tạo cho tới cách thức các công ty giao hàng tới từng nhà.

Phòng thí nghiệm máy tính lượng tử tại IBM.