Tất tật những điều cần biết về con chip lượng tử mới 17 qubit của Intel, vũ khí ganh đua với Google và IBM

Thứ Ba vừa qua, Intel đã đưa ra phiên bản thử nghiệm cho con chip siêu dẫn 17 qubit, tương tự như con chip lượng tử lớn nhất từng được IBM sản xuất.

Cho đến nay, điện toán lượng tử vẫn chỉ là cuộc đua song mã giữa hai người khổng lồ IBM và Google. Đến tháng Tư vừa qua, Google giới thiệu nghiên cứu của mình về chip điện toán 9 qubit và đề xuất một nghiên cứu khác có thể cho phép tạo phá vỡ các kỷ lục trước đây về điện toán lượng tử vào cuối năm nay. Trong khi đó, tháng Năm vừa qua, IBM cũng đã trình diễn con chip 17 qubit đầu tiên trên thế giới.

Công trình của IBM dựa trên nghiên cứu do ông Robert Schoelkopf, giáo sư đại học Yale thực hiện. Trong khi đó công trình của Google dựa trên nghiên cứu của đại học California tại Santa Barbara, thực hiện dưới sự dẫn dắt của giáo sư John Martinis, và được Google hậu thuẫn vào năm 2014.

Tất cả các nghiên cứu của IBM, Intel, Google và cả một người khác nữa, Microsoft, đều đang chạy đua hướng tới một mục tiêu, tạo ra con chip lượng tử 50 qubit. Đó là kích thước cần thiết để tạo nên một siêu máy tính, với sức mạnh gấp nhiều lần các siêu máy tính mạnh nhất hiện nay. Thậm chí, chưa có ai biết một máy tính nhanh và thông minh như vậy, có thể giải quyết những loại vấn đề nào.

Rối lượng tử (quantum entanglement)

Các máy tính lượng tử hoàn toàn khác so với các máy tính kỹ thuật số ngày nay. Một máy tính kỹ thuật số chỉ nghĩ đến hai trạng thái: 0 và 1. Nhưng một máy tính lượng tử có thể sử dụng nhiều khả năng kết hợp giữa số 0 và 1 để tạo ra hàng loạt các trạng thái khác nhau: có thể là 0, có thể là 1, hoặc cả hai trong cùng một lúc, hoặc một điều gì đó ở giữa hai trạng thái này – một trạng thái bí ẩn rất khó mô tả hoặc xác định giữa 0/1.

Nói một cách hình ảnh, bạn hãy thử tưởng tượng về một quả cầu ảo. Trong khi một bit dữ liệu cổ điển có thể là một trong hai trạng thái – giống như ở một trong hai đầu cực của khối cầu đó, một qubit lại có thể ở bất cứ điểm nào trên bề mặt khối cầu đó, thậm chí bên trong khối cầu đó. Điều đó đồng nghĩa với việc một qubit lưu trữ một lượng thông tin lớn gấp nhiều lần một bit thông thường.

Khối cầu Bloch Sphere: được dùng để mô tả bằng hình ảnh về qubit.

Các trạng thái hỗn loạn trên của qubit được gọi là “rối lượng tử”, và đã có một loạt công thức toán học (hay còn gọi là thuật toán) nổi tiếng có thể sử dụng các trạng thái này để tính toán những điều mà máy tính truyền thống không đủ mạnh để làm được. Ví dụ, các máy tính lượng tử có thể hoạt động với hàng tỷ biến số trong cùng một lúc, tương tự như tương tác giữa các phân tử trong hóa học.

Vì vậy, chúng sẽ rất hữu ích cho các tác vụ máy học. Các máy tính lượng tử này được kỳ vọng sẽ giúp tìm ra các loại thuốc mới, tạo ra các hình thức bảo mật máy tính mới. Mọi người cũng tin rằng, loại máy tính này có thể dẫn tới việc tạo ra các robot suy nghĩ và lý trí như con người, hoặc tạo ra loại thuốc cá nhân hóa cho mỗi người.

Nếu bạn cảm thấy tất cả điều này thật mơ hồ và khó hiểu, đừng lo, bạn không phải là người duy nhất đâu. Microsoft dù đang đánh cược vào công nghệ điện toán lượng tử này, nhưng người sáng lập tập đoàn, ông Bill Gates thừa nhận rằng, với tất cả kiến thức về toán học và vật lý học mà ông biết, ông cũng không hiểu lượng tử hoạt động như thế nào.

Bill Gates từng thừa nhận rằng, với tất cả kiến thức về toán học và vật lý học mà ông biết, ông cũng không hiểu lượng tử hoạt động như thế nào

Lạnh hơn cả không gian vũ trụ

Cho đến nay, thách thức chính của điện toán lượng tử chỉ đơn giản là xây dựng được các máy tính lượng tử lớn hơn.

Theo như Intel giải thích, các qubit đặc biệt nhạy cảm với tác động bên ngoài. Bất kỳ nhiễu sóng và hoặc sự gián đoạn ngoài dự tính trước nào đều có thể làm chúng bị mất dữ liệu. Do vậy, chúng cần dựa vào các kim loại siêu dẫn, vốn phải được giữa ở nhiệt độ vô cùng lạnh.

Chúng phải được hoạt động ở nhiệt độ chỉ khoảng “250 mili Kelvin – hay lạnh hơn 250 lần so với không gian vũ trụ” Intel cho biết. Vì tại nhiệt độ siêu thấp này, gần như không có chuyển động nào ở cấp độ nguyên tử có thể sản sinh ra nhiễu.

Giáo sư của QuTech, ông Leo DiCarlo trong phòng thí nghiệm điện toán lượng tử của QuTech.

Tạo ra loại điều kiện này và duy trì nó trong một khoảng thời gian dài là việc vô cùng khó. Ngoài ra, vấn đề không chỉ là nhiệt độ lạnh. Khi một máy tính lượng tử phát triển về kích thước bằng cách bổ sung thêm các qubit, nó lại trở nên rất dễ hỏng theo nhiều cách khác nhau.

Tuy nhiên, quá trình nghiên cứu đang tiến triển rất nhanh. Vào tháng Năm năm 2016, IBM đã ra mắt một cỗ máy 5 qubit và dịch vụ đám mây đầu tiên trên thế giới hoạt động dựa trên cỗ máy đó. Đến thời điểm hiện tại, hơn một năm sau đó, kích thước những con chip này đã lớn hơn gấp 3 lần.

Google kỳ vọng rằng họ sẽ tạo ra được một máy tính thử nghiệm đủ lớn và mạnh vào cuối năm nay. Nó sẽ có thể thực hiện các phép tính nhất định mà máy tính truyền thống không thể làm được, một khái niệm từng được ông Martinis gọi khi nói chuyện với trang Motherboard là “siêu cường lượng tử”.

Trong khi đó, Intel đang nhanh chóng bước chân vào cuộc đua này. Dưới đây là cái nhìn gần hơn về con chip mới nhất này của Intel.

Chip 17 qubit thử nghiệm của Intel chỉ có kích thước bằng đồng 25 xu của Mỹ (đường kính 24,26 mm). Các chân kết nối bằng vàng cho phép con chip kết nối được với thế giới bên ngoài chiếc máy tính lượng tử.

Dưới đây là hình ảnh mặt bên kia của con chíp, khi nó được đóng gói trong một cái hộp. Một trong những việc Intel đang nghiên cứu là làm thế nào để sản xuất con chip này với số lượng lớn. Việc sản xuất trên quy mô lớn là một vấn đề khó hơn, phức tạp hơn nhiều so với việc tạo ra một con chip thử nghiệm đơn lẻ.

Vẫn còn nhiều chi tiết cần phải hoàn thiện trước khi công nghệ này sẵn sàng cho các nhà máy. Các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm điện toán lượng tử QuTech đang tập trung vào điều đó.

Hãy so sánh một chút với chiếc máy tính lượng tử của IBM: toàn bộ cỗ máy được đặt trong chiếc thùng màu trắng này. Thực chất nó là một tủ lạnh đặc biệt để giữ nhiệt độ chiếc máy tính ở mức gần độ 0 tuyệt đối.

Nhà khoa học của QuTech, Leo DiCarlo và nhà khoa học của Intel, Dave Michalak rất phấn khích về con chip mới này khi họ cùng thực hiện một video mở hộp nó. Trong đoạn video đó, họ cũng giải thích chi tiết hơn về cách con chip này được xây dựng.

Hai nhà khoa học của QuTech và Intel thực hiện video unbox con chip lượng tử 17 qubit, phiên bản thử nghiệm của Intel.

Tham khảo Business Insider