Bí ẩn Majorana và giấc mơ máy tính lượng tử của Microsoft
Khi đề cập đến cách tiếp cận độc đáo tạo ra các “qubit tôpô” của Microsoft để theo đuổi giấc mơ máy tính lượng tử, giáo sư vật lý Harvard Philip Kim nhận xét “Nếu mọi thứ diễn ra suôn sẻ, nghiên cứu của Microsoft có thể mang tính cách mạng”. Chúng ta có thể chờ đợi vào cuộc cách mạng này không?
Kỳ 2: Tạo ra các qubit tôpô – Cách tiếp cận độc đáo của Microsoft
Qubit tương lai của máy tính lượng tử tôpô (topological quantum computing)?
Trong cuộc phỏng vấn dành cho Nature năm 2016, Alex Bocharov, một nhà toán học và khoa học máy tính, thành viên của nhóm thiết kế máy tính lượng tử của Microsoft Research tại Redmond, Washington, đã hé lộ với Nature về chương trình này như sau5.
Khi được hỏi vì sao Microsoft chọn hướng máy tính lượng tử tôpô là hướng được coi là hướng khó nhất trong khi các công ty khác như IBM, Google vv chọn kỹ thuật chắc hắn hơn là qubit siêu dẫn, Bocharov cho biết lý do là Microsoft có một đội ngũ các nhà vật lý tiên phong về máy tính lượng tử tôpô “… những nhân vật quan trọng trong lĩnh vực máy tính lượng tử, như Alexei Kitaev, Daniel Gottesman và đặc biệt nhất là Michael Freedman [đoạt giải Fields và Giám đốc của Phòng nghiên cứu Station Q của Microsoft], đã đi đầu trong việc phát triển máy tính lượng tử của chúng tôi. Và đó chính là tầm nhìn tiên phong của Freedman …”.
Có lẽ cần nói thêm là từ năm 1997 trước khi làm việc cho Microsoft (1999-2001), Kitaev là người đầu tiên đề xuất khái niệm về máy tính lượng tử tôpô. Trong máy tính đó, thông tin lượng tử được lưu trữ trong các số lượng tử tôpô, vốn có khả năng chống nhiễu hết sức cao. Trong công trình sau này, cùng với Michael Freedman, Kitaev đã chứng minh rằng tính toán lượng tử tôpô tương đương với mô hình chuẩn của máy tính lượng tử … Michael Freedman là nhà toán học được giải thưởng Field cao quí nhất của toán học năm 1986 và sau này trở thành Giám đốc Phòng thí nghiệm máy tính lượng tử Station Q của Microsoft.
Phương pháp của Kouwenhoven liên quan đến việc cố gắng tạo ra các fermion Majorana trên các dây nano ‘hybrid’ bao gồm một lớp vật liệu bán dẫn có một lớp siêu dẫn được đặt trên đó. Lý thuyết dự đoán rằng ở nhiệt độ rất thấp và khi được áp dụng lên một từ trường, một cặp fermion Majorana, một ở mỗi đầu của dây nano, sẽ tự động hình thành trong chất bán dẫn.
Tuy vậy, lý do chính để các nhà khoa học của Microsoft lựa chọn theo hướng tôpô là trong tất cả các hệ thống tính toán lượng tử, thông tin được mã hóa trong các đặc tính của các hạt lượng tử và chỉ cần một tương tác nhỏ nhất với môi trường xung quanh cũng có khả năng phá hủy trạng thái lượng tử của chúng. Tính toán cho thấy độ chính xác cao nhất với các qubit siêu dẫn có thể đạt được là 99,9% (gọi cách dân dã là ba số chín). Trong khi đó, để giải quyết các vấn đề tính toán quan trọng, người ta cần độ chính xác ở mức mười số chín, vì vậy cần phải tạo ra một số qubit khổng lồ cho phép sửa lỗi. Trong khi đó, máy tính lượng tử tôpô hứa hẹn đạt tới sáu hoặc bảy số chín, điều đó có nghĩa là không cần phải quá khó khăn và tốn kém cho việc sửa lỗi.
Bocharov còn cho biết về qubit của máy tính lượng tử tôpô, đại ý: qubit của họ thậm chí không phải vật chất mà là các giả hạt, … có thể đo chúng bằng các thiết bị có độ chính xác cao, nhưng không thể nhìn thấy chúng dưới bất kỳ kính hiển vi nào. Ông còn khẳng định là giả hạt đó thực sự tồn tại và cho rằng chúng đã được Leo Kouwenhoven tại Đại học Công nghệ Delft ở Hà Lan quan sát vào năm 2012, và bây giờ phòng thí nghiệm của Microsoft đang lắp ráp một số thiết bị rất tinh vi để tạo ra các qubit đó với số lượng lớn và cố gắng bắt đầu thực hiện các phép tính toán lượng tử.
Qubit của máy tính lượng tử tôpô của Microsoft thậm chí không phải vật chất mà là các giả hạt, … có thể đo chúng bằng các thiết bị có độ chính xác cao, nhưng không thể nhìn thấy chúng dưới bất kỳ kính hiển vi nào, theo Alex Bocharov.
Đây cũng chính là điều gây tranh cãi về máy tính lượng tử tô pô của Microsoft. Như đã biết, trên thực tế, rất khó có thể xác định sự tồn tại của các fermion Majorana. Các nhà nghiên cứu đã thử nhiều phương pháp khác nhau và Microsoft quyết định đặt cược rất nhiều vào một phương pháp đi tiên phong bởi Leo Kouwenhoven, một nhà vật lý tại Đại học Công nghệ Delft ở Hà Lan. Vào năm 2016, Microsoft đã tuyển dụng Kouwenhoven – trong số những ngôi sao khác trong lĩnh vực này – và giao cho ông nhiệm vụ thành lập một phòng thí nghiệm của Microsoft ngay tại khuôn viên của trường Đại học Delft.
Phương pháp của Kouwenhoven liên quan đến việc cố gắng tạo ra các fermion Majorana trên các dây nano ‘hybrid’ bao gồm một lớp vật liệu bán dẫn có một lớp siêu dẫn được đặt trên đó. Lý thuyết dự đoán rằng ở nhiệt độ rất thấp và khi được áp dụng lên một từ trường, một cặp fermion Majorana, một ở mỗi đầu của dây nano, sẽ tự động hình thành trong chất bán dẫn.
Chưa ai biết cách phát hiện trực tiếp các Majorana fermion, nhưng để chứng minh ít nhất là chúng tồn tại, Kouwenhoven và các cộng sự của ông đã tìm kiếm một hiệu ứng được coi là một bằng chứng rõ ràng: độ dẫn điện của các đầu nanowire sẽ đạt đỉnh đột ngột khi các nhà nghiên cứu áp dụng điện áp rồi giảm xuống 0. Đây chính là dấu hiệu mà nhóm nghiên cứu đã côgn bố trên tạp chí Nature số tháng tư, năm 2018.6
Tuy nhiên, kết quả công bố trên Nature năm 2018 của Kouwenhoven và các công sự đã bị nhiều nhà khoa học nghi ngờ và chỉ trích. Dựa trên các thí nghiệm của riêng mình, một nhà vật lý của Đại học Pittsburgh ở Pennsylvania, Frolov nghi ngờ rằng bằng chứng được trình bày trong bài báo năm 2018 không đầy đủ.
Vào tháng 11/2019, Frolov yêu cầu và nhận được các số liệu cơ bản của bài báo trên tạp chí Nature năm 2016 nói trên của nhóm Kouwenhoven, ông đã vẽ đồ thị từ những số liệu này và đã tìm thấy bằng chứng mâu thuẫn trực tiếp với tuyên bố chính của bài báo. Frolov và Vincent Mourik đã viết thư cho Nature để bày tỏ mối quan ngại của họ về bài báo, và vào tháng 4/2020, tạp chí Nature đã công bố một bài của ban biên tập bày tỏ mối quan ngại về kết quả của nhóm Kouwenhoven.
Trong bản tin ngày 8/3/2021 xin rút lại bài báo trên Nature năm 2018 nói trên, các tác giả cho biết khi nhận được các phản hồi, họ đã phân tích lại tất cả dữ liệu từ các phép đo ban đầu và đã lặp lại các thí nghiệm mới. Họ thấy rằng không có bằng chứng nào hỗ trợ cho kết luận trước đó của họ. “… Do đó, chúng tôi không còn có thể tuyên bố quan sát được độ dẫn Majorana lượng tử nữa”, họ viết trong thông báo rút lại bài báo. “Chúng tôi xin lỗi cộng đồng vì không đủ tính nghiêm ngặt khoa học trong bản thảo gốc của chúng tôi”7.
Ngay sau đó, Microsoft cho biết công ty vẫn cam kết với phương pháp máy tính lượng tử tôpô. Các nhà nghiên cứu của Microsoft cho biết họ vẫn phải chờ xem liệu các trạng thái Majorana có tồn tại hay không và liệu chúng có thể hơn hẳn các phương pháp khác hay không. Theo nhiều nhà khoa học thì “Phương pháp tiếp cận này đặc biệt đẹp và tuyệt vời theo quan điểm vật lý lý thuyết và toán học, và nó vẫn có thể thành công”.
Nỗ lực gần đây của Microsoft, đột phá quan trọng hay lại vỡ mộng?
Đồng thời, công ty đã công bố một số kết quả trung gian – nhưng không phải là bằng chứng về sự tồn tại của qubit tôpô – vào ngày 19/2 (Microsoft Azure Quantum. Nature 638, 651–655; 2025). Bài báo trên Nature này mô tả các thí nghiệm trên một “dây nano” siêu dẫn được làm bằng chất indium arsenide. Mục tiêu cuối cùng là lưu trữ hai trạng thái tôpô của cái được cho là giả hạt Majorana, mỗi trạng thái nằm ở mỗi đầu của dây nano (nanowire) siêu dẫn. Như đã giải thích ở trên đây, vì các electron trong chất siêu dẫn được kết cặp (cặp Cooper), nên một electron bổ sung vào sẽ tạo thành một trạng thái kích thích, không nằm ở trạng thái định xứ xác định (delocalized), và được chia sẻ giữa hai giả hạt Majorana. Các phép đo cho thấy nanowire thực sự chứa một electron bổ sung. Tuy vậy, các tác giả cảnh báo rằng các thí nghiệm này “tự chúng” không đảm bảo rằng nanowire chứa hai giả hạt Majorana.
Các máy tính lượng tử tôpô được kỳ vọng sẽ dễ chế tạo hơn ở quy mô lớn so với các công nghệ khác, vì qubit tôpô có khả năng bảo vệ thông tin khỏi nhiễu tốt hơn.
Theo thông cáo báo chí, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm tiếp theo trong đó họ ghép nối hai nanowire và nghiên cứu trạng thái chồng chập của chúng trong đó mỗi nanowire có một electron bổ sung. Nhà vật lý lý thuyết Chetan Nayak, người lãnh đạo nỗ lực máy tính lượng tử của Microsoft, cho biết: “Chúng tôi đã tạo ra một qubit và chứng minh rằng bạn không chỉ có thể đo tính chẵn lẻ trong hai dây song song mà cả phép đo kết nối giữa hai dây”.
Một số người đặt câu hỏi liệu Microsoft đã đạt được thành tựu về qubit tôpô hay chưa và nhiều nhà khoa học giả hàng đầu cho rằng cần nhiều thập kỷ nữa máy tính lượng tử mới có thể hoạt động hoàn toàn như mong muốn. Nhưng các nhà khoa học của Microsoft cho biết phương pháp của họ sẽ giúp họ đạt được mục tiêu sớm hơn. Nayak nói thêm “Chúng tôi cho là cần phải mất thêm nhiều năm chứ không phải nhiều thập kỷ nữa”.
Philip Kim, giáo sư vật lý tại Harvard, cho biết sáng tạo mới của Microsoft có ý nghĩa quan trọng vì qubit tôpô có thể đẩy nhanh quá trình phát triển máy tính lượng tử. “Nếu mọi thứ diễn ra suôn sẻ, nghiên cứu của Microsoft có thể mang tính cách mạng”, ông nói.
Hoài nghi không hề giảm1,7
Một số nhà nghiên cứu chỉ trích quyết định của Microsoft công bố rộng rãi việc tạo ra qubit mà không công bố bằng chứng chi tiết. Jason Alicea, giáo sư vật lý lý thuyết tại Viện Công nghệ California, đặt câu hỏi liệu công ty có thực sự chế tạo được qubit tôpô hay chưa, ông cho rằng hành vi của các hệ thống lượng tử thường khó xác minh. Ông nói “Về nguyên tắc, qubit tôpô là có thể, và mọi người đều đồng ý rằng đó là một mục tiêu đáng giá. Tuy nhiên, bạn phải chứng minh rằng thiết bị của bạn hoạt động theo tất cả những điều mà lý thuyết dự đoán; nếu không, thực tế có thể trở nên kém lạc quan hơn đối với máy tính lượng tử tôpô. May mắn thay, Microsoft hiện đã sẵn sàng để tiến hành thí nghiệm để xác minh những điều đó”.
Các ý kiến hoài nghi của nhiều chuyên gia vẫn không giảm. Nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Oxford Simon cho biết “Không có gì chắc chắn để biết ngay lập tức từ các thí nghiệm đó [của Microsoft]” rằng các qubit được tạo thành từ các trạng thái tôpô. Georgios Katsaros, một nhà vật lý tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo ở Klosterneuburg nói “Nếu không thấy số liệu bổ sung về qubit, thì không có gì nhiều để bình luận thêm”. Nặng nề hơn, Vincent Mourik, một nhà vật lý tại Trung tâm nghiên cứu Helmholtz ở Jülich, Đức, người đã bày tỏ quan ngại về bài báo Nature 2018 của Microsoft và đã dẫn đến việc rút lại bài báo đó, tỏ ra hoài nghi về toàn bộ khái niệm này. “Ở cấp độ cơ bản, cách tiếp cận xây dựng một máy tính lượng tử dựa trên qubit Majorana tôpô như Microsoft đang theo đuổi sẽ không hiệu quả”.
Để trả lời cho các ý kiến hoài nghi đó, Nayak cho biết: “Chúng tôi cam kết công bố công khai kết quả nghiên cứu của mình một cách kịp thời, đồng thời bảo vệ IP [sở hữu trí tuệ] của công ty”, hàm ý rằng nhiều chi tiết chưa được công bố liên quan đến việc đăng ký bản quyền phát minh. Microsoft cũng đã chia sẻ lộ trình phát triển từng bước thực hiện các phép tính phức tạp bởi các máy tính lượng tử tôpô của họ.
Microsoft cho biết hiện tại họ chỉ mới tạo được tám qubit tôpô và vẫn chưa thể thực hiện được các phép tính có thể thay đổi một cách căn bản so với máy tính cổ điển. Nhưng các nhà nghiên cứu của công ty coi các kết quả mới này là một bước quan trọng tiến tới việc xây dựng một máy tính siêu phàm.
Ngày 18/3 vừa qua, không chỉ cộng đồng các nhà khoa học mà cả giới báo chí cũng hồi hộp theo dõi thông tin chi tiết từ báo cáo của Nayak về các thí nghiệm qubit tôpô tại phiên họp của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ tổ chức ở Anaheim, California. Trước hội nghị tâm lý hoài nghi vẫn rất lớn như Carlo Beenakker, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Leiden ở Hà Lan nói “chưa có bằng chứng thuyết phục, thậm chí chỉ là một thuyết phục vừa phải, về các giả hạt Majorana”.
Tuy nhiên, sau báo cáo nói trên của Nayak, các nhà vật lý tham dự hội nghị cho biết họ vẫn chưa chắc chắn liệu Microsoft có thực sự tạo ra qubit tôpô đầu tiên hay không. Theo Ali Yazdani, một nhà vật lý thực nghiệm tại Đại học Princeton ở New Jersey và là một trong những người đầu tiên phát hiện bằng thực nghiệm các dấu hiệu của các Majorana fermion trong chất siêu dẫn8, thì “Đó là một vấn đề khó khăn”. Đối với bất kỳ ai đang cố gắng tạo ra qubit tôpô, ông nói, “chúc may mắn”.
Hy vọng những kết quả của Microsoft sẽ giải đáp được bí ẩn gần 90 năm qua – Majorana fermion không còn là một giả thuyết nữa, mà hơn thế, chúng còn góp phần quan trọng mở đường cho cuộc cách mạng Quantum 2.0.
“Đó là một báo cáo tuyệt vời,” Daniel Loss, một nhà lý thuyết tại Đại học Basel ở Thụy Sĩ, cho biết. Nhưng ông không đồng tình với những tuyên bố to tát cũng như việc tương đối thiếu bằng chứng cho các tuyên bố như thế. Ông nói, “Mọi người đã đi quá xa và cộng đồng khoa học không hài lòng với những điều như thế. Họ đã làm quá mức.”
Nayak thừa nhận có những lời chỉ trích đó: “Tôi chưa bao giờ cảm thấy sẽ có một khoảnh khắc mà mọi người đều hoàn toàn bị thuyết phục”, ông nói thêm rằng Microsoft tự tin vào sự hiểu biết của mình về các thiết bị và các nhà nghiên cứu khác cũng rất hào hứng với công trình này.
Chúng ta đành phải tiếp tục chờ đợi những kết quả sắp tới. Hy vọng rằng Microsoft sẽ đạt được những tiến bộ như họ mong ước, đem lại những đột phá quan trọng trong lĩnh vực máy tính lượng tử sau bao nhiêu công sức và tiền của9. Và, cuối cùng, mong sao những kết quả của Microsoft sẽ giải đáp được bí ẩn gần 90 năm qua – Majorana fermion không còn là một giả thuyết nữa, mà hơn thế, chúng còn góp phần quan trọng mở đường cho cuộc cách mạng Quantum 2.0.□
New York, 25/03/2025
Tài liệu tham khảo và chú thích
1. “Microsoft Says It Has Created a New State of Matter to Power Quantum Computers” NY Times Feb. 19, 2025
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Ettore_Majorana
3. Frank Wilczek, “Majorana returns” , nature physics vol. 5, 614 (2009)
4. Kurt Gottfried, “Matter all in the mind”, Nature vol, 49, 117 (2002)
5. Elizabeth Gibney, “Inside Microsoft’s quest for a topological quantum computer”, Nature 21 October 2016, doi:10.1038/nature.2016.20774
6. H. Zhang. et al Nature 556, 74–79 (2018).
7. D. Castelvecchi “Microsoft’s quantum chip leaves some physicists skeptical” Nature Vol. 638, 872 (2025)
8. S. Nadj-Perge, et al. Science http://dx.doi.org/10.1126/science.1259327 (2014)
9. Chú thích thêm của người viết: Mặc dù Microsoft không thông báo chi tiết số tiền đã chi ra cho chương trình nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử của họ. Tuy nhiên, trong [5] họ cho biết chương trình có 35-40 người. Thông thường, chỉ một số rất ít người làm việc tập trung vào một dự án, nên nếu ước tính mỗi người chỉ làm ½ thời gian trong dự án máy tính lượng tử thì chi phí của Microsoft không dưới 4-5 triệu USD/năm, chưa kể máy móc thiết bị.
Bài đăng Tia Sáng số 7/2025
