Bộ nhớ RAM dành cho máy tính lượng tử chính là mảnh ghép còn thiếu để các cỗ máy siêu việt này mang lại nhiều ứng dụng thực tế cho cuộc sống con người.
Trong nhiều thập kỷ qua, máy tính lượng tử được giới khoa học mô tả như cỗ máy sẽ thay đổi hoàn toàn nền văn minh nhân loại. Một thiết bị với vài trăm qubit có thể xử lý các phép tính mà ngay cả siêu máy tính mạnh nhất hiện nay cũng phải chạy hàng nghìn năm mới xong.
Thế nhưng suốt gần 20 năm, tất cả những lời hứa hẹn đó đều vấp phải cùng một rào cản, một rào cản tưởng chừng rất nhỏ nhưng không ai giải quyết được. Vấn đề nằm ở dữ liệu.
Toàn bộ dữ liệu mà nhân loại đã tích lũy trong nhiều thập kỷ, từ hồ sơ bệnh nhân, dữ liệu giao dịch tài chính cho đến các cơ sở dữ liệu phân tử phục vụ nghiên cứu thuốc, đều được lưu trữ ở định dạng nhị phân cổ điển.
Máy tính lượng tử, với kiến trúc hoàn toàn khác biệt dựa trên qubit, không thể đọc trực tiếp định dạng này. Khác với bit thông thường chỉ mang giá trị 0 hoặc 1, qubit có thể tồn tại đồng thời ở cả hai trạng thái nhờ tính chất chồng chất lượng tử, cho phép máy tính xử lý song song hàng triệu khả năng thay vì tính tuần tự từng bước.
Chính sự khác biệt kiến trúc căn bản này khiến máy tính lượng tử không thể trực tiếp "bắt tay" với kho dữ liệu nhị phân khổng lồ mà con người đã xây dựng.
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên lượng tử, gọi tắt là QRAM, từ lâu được xác định là mảnh ghép còn thiếu để lấp đầy khoảng cách đó. QRAM đóng vai trò như một lớp giao tiếp, chuyển đổi dữ liệu nhị phân cổ điển sang định dạng lượng tử tương thích để máy tính lượng tử có thể xử lý, đồng thời cho phép truy xuất nhiều vị trí bộ nhớ cùng lúc thông qua trạng thái chồng chất.
Lý thuyết về QRAM đã được đề xuất từ gần hai thập kỷ trước, nhưng mọi nỗ lực hiện thực hóa đều thất bại vì độ phức tạp của mạch vượt quá khả năng kiểm soát của phần cứng hiện có.
RAM lượng tử trở thành hiện thực
Vào tháng 3 năm nay, nhóm nghiên cứu tại Đại học Chiết Giang (Trung Quốc) công bố trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature Physics rằng họ đã làm được điều đó. Nhóm nghiên cứu do trợ lý giáo sư Lư Lực Cường dẫn đầu đã triển khai thành công kiến trúc QRAM kiểu bucket-brigade trên một bộ xử lý lượng tử siêu dẫn, lần đầu tiên trong lịch sử đưa công nghệ này từ lý thuyết vào thực nghiệm.
Kiến trúc bucket-brigade, tạm dịch là "chuyền xô theo dây chuyền", hoạt động theo nguyên lý định tuyến dữ liệu qua từng nút mạng lượng tử một cách tuần tự có kiểm soát, thay vì xử lý toàn bộ cùng lúc, giúp giảm đáng kể sai số tích lũy trong quá trình truyền dữ liệu.
Để hiện thực hóa thiết kế này, nhóm đã giảm độ phức tạp của mạch xuống hơn 30% so với các thiết kế lý thuyết trước đó. Họ xây dựng và kiểm chứng thành công hai phiên bản hệ thống: QRAM 2 lớp đạt độ trung thực truy vấn 0,800 với sai số ± 0,026, và QRAM 3 lớp đạt 0,604 với sai số ± 0,005.
Trong thực nghiệm, nhóm chạy thành công các tác vụ truy vấn dữ liệu 4-bit và 8-bit trong trạng thái chồng chất lượng tử, tức là hệ thống có thể truy xuất đồng thời nhiều điểm dữ liệu thay vì xử lý tuần tự từng mục một như máy tính cổ điển.
"Trong khi các thuật toán lượng tử hiện tại rất ấn tượng về mặt lý thuyết, việc chạy chúng trên máy tính lượng tử thường đòi hỏi khả năng truy cập hiệu quả vào lượng dữ liệu cổ điển khổng lồ," ông Lư cho biết trong trao đổi với tờ Science and Technology Daily. "Không có QRAM, nhiều ứng dụng mãi chỉ là lý thuyết."
Mở đường cho ứng dụng máy tính lượng tử vào thực tế
Hệ quả thực tế của đột phá này trải rộng trên nhiều lĩnh vực. Trong nghiên cứu dược phẩm, QRAM cho phép máy tính lượng tử trích xuất đặc điểm cấu trúc phân tử từ các cơ sở dữ liệu hóa học chứa hàng trăm triệu mục trong trạng thái chồng chất, rút ngắn đáng kể chu kỳ phát triển thuốc mới.
Trong lĩnh vực tài chính, công nghệ này có thể giúp các thuật toán lượng tử phân tích toàn bộ lịch sử giao dịch để phát hiện hành vi gian lận với độ chính xác vượt xa các hệ thống hiện tại. Với trí tuệ nhân tạo, QRAM mở ra khả năng xử lý ngôn ngữ tự nhiên và nhận dạng hình ảnh ở quy mô mà các hệ thống máy tính cổ điển không thể với tới.
Thành tựu của nhóm Chiết Giang không giải quyết tất cả mọi thách thức còn lại trên con đường đưa máy tính lượng tử vào ứng dụng thương mại. Prototype hiện tại mới dừng ở mức 8-bit, và độ trung thực của hệ thống 3 lớp ở mức 0,604 cho thấy sai số vẫn còn là bài toán cần tiếp tục cải thiện trước khi xử lý dữ liệu thực tế ở quy mô lớn.
Tuy nhiên, việc lần đầu tiên chứng minh được rằng QRAM hoạt động trong môi trường thực nghiệm đã thay đổi bản chất của cuộc thảo luận, từ câu hỏi "liệu có làm được không" sang câu hỏi "bao lâu nữa thì hoàn thiện."
Suốt gần 20 năm, máy tính lượng tử mang trong mình sức mạnh chưa từng có nhưng lại không thể chạm tay vào kho dữ liệu mà thế giới đã xây dựng. Mảnh ghép cuối cùng vừa được đặt vào đúng chỗ.
