Kỷ lục mới của máy tính lượng tử
Các phân tử berry hyđrua (beryllium hydride, BeH2) vốn rất nhỏ bé - cấu tạo gồm 2 nguyên tử hydro liên kết với một nguyên tử berry duy nhất, giờ đây trở thành phân tử lớn nhất từng được mô phỏng bởi máy tính lượng tử, một công nghệ mới hứa hẹn giúp giải quyết những vấn đề phức tạp mà máy tính bình thường hiện nay không làm được. Đây được xem là cơ sở cho những phương pháp mới và hiệu quả hơn trong nghiên cứu về các loại thuốc và các vật liệu mới.
Máy tính lượng tử IBM mô phỏng phân tử berry hyđrua, lithi hyđrua và hydro (từ trái sang phải), thiết lập kỷ lục thế giới
Nhà hóa học lý thuyết Marco De Vivo tại Viện Công nghệ Genoa (Italia), người nghiên cứu về tương tác của dược phẩm với các protein nói rằng bước tiến trên là rất hứa hẹn, “nó đánh vào giới hạn của những gì mà máy tính hiện nay có thể làm được”.
Các nhà vật lý và hóa học thường sử dụng máy tính để mô phỏng hoạt động của các nguyên tử, phân tử. Dạng mô phỏng này thường đòi hỏi năng lực tính toán mạnh mẽ vì những tương tác của 3 phân tử trở nên là vô cùng phức tạp. Ngoài ra, các electron trong phân tử thường tuân theo những quy luật rất khác lạ của cơ học lượng tử – lý thuyết của những thứ vô cùng nhỏ – chẳng hạn, để xác định đồng thời vị trí và vận tốc của electron là điều bất khả thi. Chính những hạn chế này khiến cho việc tính toán sự phân bổ các electron bên trong phân tử còn gặp nhiều khó khăn hơn. Thậm chí, siêu máy tính mạnh nhất hiện nay cũng mới chỉ có khả năng mô phỏng hoạt động của những phân tử của vài trăm nguyên tử.
Dẫu vậy, các nhà khoa học vẫn tin tưởng rằng máy tính lượng tử sẽ thay thế vai trò của máy tính thông thường. Năm 1981, nhà vật lý đạt giải Nobel Richard Feynman dự đoán, những máy tính được xây dựng theo cơ học lượng tử có thể mô phỏng chính xác những phân tử lớn. Trong khi máy tính bình thường sử dụng những bit thông tin 0 hoặc 1 thì máy tính lượng tử lại triển khai các bit lượng tử (qubits) 0,1 hay 0 và 1 cùng lúc. Những bit lượng tử có khả năng kết hợp với nhau, tạo nên bộ xử lý lượng tử vô cùng mạnh mẽ, theo lý thuyết có khả năng mô phỏng các phân tử hiệu quả hơn nhiều so với máy tính thông thường. Các nhà khoa học tin rằng máy tính lượng tử sẽ mở ra khả năng mới trong nghiên cứu, giúp phát hiện các loại thuốc và vật liệu mới, điều đang được phát triển một cách mạnh mẽ tại các trường đại học và công ty trên toàn thế giới.
Tuy nhiên, hiện nay máy tính lượng tử vẫn gặp trở ngại lớn do độ nhạy của những bit lượng tử, sự biến thiên nhiệt độ và sự rải rác của điện tích hay từ trường có thể gây gián đoạn tới sự chuyển pha trạng thái giữa 0 và 1. Càng nhiều bit lượng tử liên kết với nhau, chúng càng dễ trở nên lộn xộn. Năm ngoái, các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm lượng tử của Google ở Venice (California) đã sử dụng 3 bit lượng tử để tính toán sự sắp xếp electron ở mức năng lượng thấp nhất trong phân tử hydro – mộtphân tử thuộc loại đơn giản nhất.
Các nhà nghiên cứu về máy tính lượng tử của IBM cũng đang dần nâng cao chuẩn mực trong tính toán lượng tử khi sử dụng tới 6 bit lượng tử – được tạo ra từ một kim loại đặc biệt (vật liệu siêu dẫn) có thể cùng lúc dẫn dòng điện ở những mức cường độ khác nhau, để phân tích phân tử hydro (H2), lithi hyđrua (lithium hydride, LiH2) và berry hyđrua. Trước tiên, họ mã hóa sự sắp xếp electron trong phân tử mô phỏng bằng máy tính lượng tử, rồi sử dụng một thuật toán đặc biệt ép cho các phân tử tồn tại ở trạng thái năng lượng thấp để đo và mã hóa bằng máy tính thông thường. Tiến trình này được lặp lại cho tới khi tìm ra trạng thái năng lượng thấp nhất của phân tử – một bước quan trọng trong những ứng dụng hóa học. Bằng việc sử dụng thuật toán lặp, máy tính lượng tử của IBM đã thành công trong tính toán trạng thái năng lượng căn bản của cả ba phân tử trên, xác lập lỷ lục thế giới về mô phỏng lượng tử, kết quả này vừa được công bố trên Nature.
Bởi vì những sai số là khó tránh khỏi trong tính toán lượng tử, các nhà khoa học lưu ý rằng kết quả trên không thể chính xác một cách hoàn hảo. Tuy nhiên, nó có thể giúp cho những nhà hóa học hiểu rõ hơn về phân tử và tiếp tục có những khám phá mới.
Jerry Chow, nhà vật lý tại Yorktown Heights (New York), người phụ trách nhóm nghiên cứu về tính toán lượng tử của IBM, cho biết: “Chúng tôi muốn làm cho máy tính lượng tử vượt khỏi địa hạt của vật lý thuần túy”. Tuy nhiên, máy tính lượng tử hãy còn một chặng đường rất dài cần phải đi để thật sự tạo được dấu ấn, giống như “lần đầu nhìn thấy máy bay, chúng ta lại muốn lên mặt trăng vậy” – theo De Vivo.
Hải Đăng dịch
Nguồn: http://www.sciencemag.org/news/2017/09/quantum-computer-simulates-largest-molecule-yet-sparking-hope-future-drug-discoveries
