Công nghệ khiến siêu máy tính trở nên lỗi thời

[Hoàng Nam]

Cuối năm ngoái, IBM đã giành kỷ lục về máy tính lượng tử lớn nhất với bộ xử lý 433 bit lượng tử, hay qubit, đơn vị của quá trình xử lý thông tin lượng tử. Tại hội nghị thượng đỉnh G7, công ty này công bố tham vọng lớn hơn: hoàn thành máy tính 100.000 qubit trong vòng 10 năm tới.
IBM cho biết sẽ dành 100 triệu USD để tạo ra siêu máy tính có khả năng giải quyết các bài toán mà không siêu máy tính nào có thể giải được. Ý tưởng của IBM là sẽ dùng máy tính 100.000 qubit này, kết hợp với các siêu máy tính tốt nhất để tạo ra các loại thuốc mới, phân bón mới, hợp chất pin mới và hàng loạt ứng dụng khác.
Điện toán lượng tử xử lý thông tin dựa trên việc khai thác các tính chất của các hạt cơ bản. Electron, nguyên tử và phân tử nhỏ có thể tồn tại ở nhiều trạng thái năng lượng cùng một lúc, được gọi là nguyên lý chồng chập, và trạng thái của các hạt có thể liên kết với nhau. Mỗi qubit có thể tồn tại cùng lúc các trạng thái 0 và 1, thay vì 0 hoặc 1 như bit máy tính thông thường, nhờ đó có thể thực hiện nhiều phép tính cùng lúc.

Máy tính lượng tử hàng triệu qubit​

Dù hứa hẹn, cho đến nay máy tính lượng tử vẫn chưa thực hiện được bất kỳ điều gì hữu ích mà siêu máy tính thông thường không thể làm được. Nguyên nhân là chúng không có đủ qubit và các hệ thống tính toán lượng tử dễ bị gián đoạn bởi những nhiễu loạn nhỏ, gọi là tiếng ồn.
Các nhà nghiên cứu dự đoán rằng các hệ thống tính toán lượng tử sẽ phải mở rộng quy mô đáng kể, để chúng có thể dành một phần lớn qubit để sửa lỗi do tiếng ồn gây ra.
Do đó, chỉ riêng số lượng qubit không thể hiện khả năng của một máy tính lượng tử. Còn cần đến các chi tiết cụ thể về cách qubit được chế tạo, khả năng sửa lỗi do tiếng ồn và khả năng vận hành trong thực tế.
IBM không phải công ty duy nhất đặt mục tiêu lớn. Google cho biết họ muốn tạo ra máy tính lượng tử một triệu qubit vào cuối thập kỷ này, trong đó chỉ 10.000 qubit dùng để tính toán và số còn lại để sửa lỗi.
IonQ đang đặt mục tiêu có 1.024 “qubit logic”, mỗi qubit logic tạo thành từ một mạch sửa lỗi gồm 13 qubit vật lý, vào năm 2028. PsiQuantum, giống như Google, cũng đang hướng tới xây dựng một máy tính lượng tử triệu qubit, nhưng không tiết lộ các mốc thời gian hoặc cấu hình sửa lỗi.

Không có gì đảm bảo thành công​

Các qubit của IBM hiện được tạo thành từ các vòng kim loại siêu dẫn, giống như các nguyên tử khi hoạt động ở nhiệt độ millikelvin, chỉ lớn hơn một chút so với nhiệt độ không tuyệt đối hay -273 độ C. IBM cho biết qubit dạng này chỉ có thể mở rộng tối đa đến 5.000 qubit với công nghệ hiện tại, không đủ lớn để mang lại nhiều lợi ích tính toán.
Hiện tại, mỗi qubit siêu dẫn của IBM cần khoảng 65 watt để hoạt động. Với 100.000 qubit, sẽ cần một nhà máy điện hạt nhân cung cấp năng lượng và hàng tỷ USD để phát triển máy tính. Jay Gambetta, Phó chủ tịch bộ phận tính tóa lượng tử của IBM, cho biết công ty dự định sử dụng công nghệ “chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung” (CMOS) có thể được lắp đặt bên cạnh các qubit để vận hành chúng chỉ với công suất hàng chục milliwatt.
CMOS vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm và các công nghệ cần thiết cho siêu máy tính lượng tử vẫn chưa tồn tại, Gambetta thừa nhận.
Không có gì đảm bảo rằng 100 triệu USD dành cho dự án này sẽ đủ để tạo ra máy tính 100.000 qubit. “Chắc chắn là có rủi ro,” Gambetta nói.
“Đây sẽ không phải là một hành trình hoàn toàn suôn sẻ", Joe Fitzsimons, Giám đốc điều hành của Horizon Quantum, một nhà phát triển phần mềm lượng tử có trụ sở tại Singapore, nhận định tương tự.
Theo Fitzsimons, kế hoạch của IBM có vẻ hợp lý, mặc dù còn nhiều rào cản tiềm ẩn. “Ở quy mô này, sẽ rất khó để phát triển các hệ thống điều khiển có thể vận hành một số lượng lớn qubit như vậy một cách hiệu quả", chuyên gia cho biết.