Máy tính lượng tử siêu nhỏ: Tương lai hay chỉ là khoa học viễn tưởng?

Hãy quay ngược thời gian về thời kỳ Thế chiến II. Khi đó, các nhà khoa học ở Anh, Đức và Mỹ đã bí mật chế tạo những chiếc máy tính điện tử đầu tiên. Những cỗ máy khổng lồ này chiếm trọn cả căn phòng và tiêu thụ điện năng khủng khiếp, chỉ để thực hiện những phép tính mà trước đây không thể tưởng tượng được. Ít ai có thể ngờ rằng, nhiều thập kỷ sau, những cỗ máy mạnh hơn gấp hàng triệu lần lại có thể gọn gàng nằm trong túi xách của chúng ta. Thế nhưng, điều đó đã xảy ra.

Và bây giờ, khi chúng ta đang đứng trước một cuộc cách mạng mới trong lĩnh vực máy tính lượng tử, câu hỏi là: Liệu máy tính lượng tử xách tay có thể trở thành hiện thực? “Có thể lắm”, Mario Gely, một nhà nghiên cứu tại Đại học Oxford, chia sẻ. “Nghe có vẻ hơi xa vời, nhưng không có gì là không thể”.

Sức mạnh vượt trội của máy tính lượng tử

Trước khi nghĩ đến việc cầm theo máy tính lượng tử, chúng ta cần những cỗ máy thực sự hữu ích trước đã. Máy tính lượng tử dựa trên các qubit - đơn vị tính toán tương đương với bit trong máy tính thông thường, nhưng có sức mạnh tính toán gấp bội. Vấn đề là để xử lý các bài toán mà máy tính thông thường không thể giải quyết, máy tính lượng tử cần rất nhiều qubit, nhiều hơn hẳn so với số lượng hiện tại.

Stephen Bartlett, chuyên gia tại Đại học Sydney (Úc), lạc quan rằng chúng ta có thể thấy những cỗ máy lượng tử hữu ích vào cuối thập kỷ này. “Còn rất nhiều thử thách khoa học cần vượt qua, nhưng chúng ta đang từng bước tiến gần hơn”, ông chia sẻ.

Một trong những công nghệ tiên tiến có thể giúp mở ra kỷ nguyên này là thiết bị ghép điện tích lượng tử (QCCD). Công nghệ QCCD tổ chức các qubit thành mảng hai chiều, thay vì sắp xếp chúng trong một hàng dài, giúp tăng đáng kể mật độ và khả năng xử lý của qubit. Điều này có thể thúc đẩy hiệu suất của máy tính lượng tử lên một tầm cao mới, đưa chúng ta đến gần hơn với một tương lai nơi những chiếc máy này thực sự mạnh mẽ và hữu ích.

Rào cản lớn của máy tính lượng tử

Càng thêm nhiều qubit, càng có nhiều lỗi. Các thành phần lượng tử rất nhạy cảm với môi trường, dễ dẫn đến sai sót trong quá trình tính toán. Các thành phần lượng tử hiện tại cực kỳ nhạy cảm với những tác động từ môi trường xung quanh, dễ dẫn đến những sai sót trong tính toán. Để khắc phục điều này, các nhà khoa học phải tìm cách giảm thiểu nhiễu hoặc tích hợp cơ chế sửa lỗi trực tiếp vào hệ thống. Nhưng để làm vậy, chúng ta lại cần thêm nhiều qubit hơn nữa, khiến nhiệm vụ càng phức tạp.

Dù vậy, đã có những tia sáng hy vọng. Các nhà nghiên cứu đã phát triển “qubit logic” để giảm thiểu lỗi và thậm chí đang thử nghiệm việc dùng photon — hạt ánh sáng — làm qubit. Photon có khả năng tự sửa lỗi rất tốt, khiến chúng trở thành một ứng cử viên tiềm năng. Nếu những thách thức này được giải quyết, có lẽ trong vòng một hoặc hai thập kỷ tới, chúng ta sẽ chuyển sang nhiệm vụ tiếp theo: làm cho máy tính lượng tử nhỏ gọn và thực tế hơn.

Thách thức trong việc thu nhỏ công nghệ

Hiện tại, những cỗ máy tính lượng tử tiên tiến như của IBM và Google đều dựa trên qubit siêu dẫn, vốn là công nghệ đòi hỏi điều kiện cực kỳ khắc nghiệt: làm lạnh gần đến độ không tuyệt đối (-273°C). Để duy trì điều kiện này, cần các tủ lạnh pha loãng khổng lồ chiếm trọn một căn phòng, làm cho việc thu nhỏ là điều không tưởng.

Tuy nhiên, Gely và Bartlett cho rằng qubit ion bị bẫy (được tạo ra khi một ion được bao bọc bởi một trường điện và được thao tác bằng tia laser) có thể là giải pháp thay thế. Những qubit này hoạt động ở nhiệt độ phòng, nhưng vấn đề là hệ thống laser điều khiển chúng hiện nay cũng rất cồng kềnh, chiếm tới một mét khối. "Chúng ta cần thu nhỏ các hệ thống laser này", Gely nói.

Một số tiến bộ đang mang đến hy vọng. Ví dụ, công nghệ QCCD có thể tăng mật độ qubit, và các nhà nghiên cứu tại ĐH Stanford đã tạo ra tia laser nhỏ hơn 10.000 lần so với phiên bản cũ. Những phát minh này có thể giúp thu nhỏ máy tính lượng tử trong tương lai.

Máy tính lượng tử cá nhân: Một tương lai chưa rõ

Các nhà khoa học hiện vẫn ưu tiên làm cho máy tính lượng tử mạnh hơn thay vì nhỏ gọn. Điều này giống với giai đoạn đầu của máy tính cổ điển khi những chiếc máy lớn nhất chiếm trọn một tòa nhà. "Ai lại muốn mang một thứ khổng lồ như vậy trên lưng mình?", nhà khoa học Bartlett nói.

Trong tương lai, máy tính lượng tử có thể phục vụ các ứng dụng công nghiệp hoặc quân sự trước khi tiến đến tay người dùng. Và dù viễn cảnh về một máy tính xách tay lượng tử nghe có vẻ hấp dẫn, thực tế có thể sẽ khác. Ông Bartlett dự đoán rằng các ứng dụng cá nhân sẽ tập trung vào những lĩnh vực như tài chính hoặc bảo mật thông tin, thay vì phục vụ cho các nhu cầu giải trí như chơi game.