Vượt qua rào cản đáng kể trên đường tới máy tính lượng tử

Các nhà vật lý ở Harvard đã phát triển một công nghệ có thể làm thay đổi cuộc chơi, chứng minh năng lực vận hành liên tục của một hệ thống 3.000 qubit (bit lượng tử).

Thông thường người ta vẫn nghe thấy thông tin về tiềm năng gây choáng váng của máy tính lượng tử: một cỗ máy với 300 qubit có thể đồng thời lưu trữ thông tin nhiều hơn số hạt trong vũ trụ đã biết.

Giờ thì các nhà khoa học Harvard đã tiết lộ một hệ có số lượng qubit gấp 10 lần và theo quan điểm của họ, cỗ máy lượng tử đầu tiên này có khả năng vận hành một cách liên tục mà không cần tái khởi động.

Trong một bài báo được xuất bản trên Nature, nhóm nghiên cứu đã chứng minh một hệ hơn 3.000 qubit có thể vận hành nhiều hơn hai giờ, vượt qua các thách thức kỹ thuật và thể hiện một bước tiến đáng kể hướng tới việc xây dựng các siêu máy tính, được dự báo có thể cách mạng hóa khoa học, y học, tài chính và nhiều lĩnh vực khác.

“Chúng tôi đã chứng minh sự vận hành liên tục một hệ 3.000 qubit,” Mikhail Lukin, giáo sư ĐH  Joshua & Beth Friedman và đồng giám đốc Sáng kiến Khoa học & kỹ thuật lượng tử, tác giả chính của bài báo. “Nhưng rõ ràng là cách tiếp cận này sẽ vẫn hoạt động tốt với số lượng qubit lớn hơn nhiều.”

Nhóm hợp tác gồm các nhà nghiên cứu Harvard và các nhà khoa học ở MIT, do Lukin, Markus Greiner, GS vật lý George Vasmer Leverett, Vladan Vuletic, giáo sư vật lý Lester Wolfe MIT, dẫn dắt. Nhóm đã thực hiện nghiên cứu trong hợp tác với QuEra Computing, một startup được hình thành từ phòng thí nghiệm chung Harvard-MIT.

Các máy tính cổ điển mã hóa thông tin – từ video trong điện thoại đến các từ ngữ và hình ảnh trong trang này – trong các bit với mã hóa nhị nhân. Các máy tính lượng tử sử dụng các hạt hạ nguyên tử trong những đơn nguyên tử và tận dụng những đặc tính phản trực giác của vật lý lượng tử để có được sức mạnh xử lý lớn hơn.

Các bit nhị phân cổ điển lưu trữ thông tin dưới dạng 0 hoặc 1. Các qubit có thể là 0, 1 hoặc cả hai cùng lúc – và sự kết hợp tuyến tính của độ lớn này là yếu tố chính của sức mạnh máy tính lượng tử.

Trong các máy tính cổ điển, việc tăng gấp đôi số lượng các bit cũng làm tăng gấp đôi năng lực xử lý; trong máy tính lượng tử, việc tăng thêm các qubit làm gia tăng theo hàm mũ năng lực nhờ có một quá trình gọi là rối lượng tử.

Nhưng việc thực tế hóa các hệ lượng tử lớn cũng phô bày những thách thức lớn.

Các hệ nguyên tử trung hòa (những nguyên tử không tích điện bởi vì chúng có số lượng proton và electron tương đương nhau) đã đột sinh như một trong những nền tảng hứa hẹn bậc nhất cho các máy tính lượng tử.

Nhưng một vấn đề tồn tại là sự ‘mất mát nguyên tử’ – các qubit thoát đi và làm mất mát thông tin đã mã hóa của chúng. Sự thiếu hụt này làm giới hạn các thực nghiệm khiến nhiều nhà nghiên cứu phải tạm dừng để tái nạp các nguyên tử, và bắt đầu khởi động trở lại.

Trong nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một hệ để tái cung cấp một cách liên tục và nhanh chóng các qubit bằng “các băng tải quang tinh thể” (các sóng laser vận chuyển các nguyên tử) và các “nhíp quang” (các chùm laser có thể cầm nắm các đơn nguyên tử và sắp xếp chúng thành các dãy dạng lưới). Hệ này có thể tái nạp tới 300.000 nguyên tử mỗi giây.

“Chúng tôi đang chứng tỏ một cách mà bạn có thể bổ sung các nguyên tử mới khi bạn mất chúng một cách tự nhiên mà không làm phá hủy thông tin của hệ,” Elias Trapp, đồng tác giả bài báo và là nghiên cứu sinh tại trường Khoa học và nghệ thuật Kenneth C. Griffin. “Đó thực sự là giải quyết nút thắt cổ chai của sự cố mất mát nguyên tử”.

Hệ mới vận hành một dãy hơn 3.000 qubit trong hơn hai giờ – và về lý thuyết, các nhà khoa học nói, có thể liên tục vô hạn định. Hơn hai giờ, hơn 50 triệu nguyên tử đã quay vòng trong hệ này.

Lukin cho biết thêm, “Dạng vận hành liên tục mới mẻ đó của hệ, bao gồm năng lực tái thay thế nhanh chóng sự mất mát qubit, có thể trở nên quan trọng hơn trong thực tế so với một lượng qubit cụ thể.”

Trong các thực nghiệm tiếp theo, nhóm nghiên cứu lên kế hoạch áp dụng cách tiếp cận này để thực hiện các tính toán.

Neng-Chun Chiu, tác giả thứ nhất bài báo và một nghiên cứu sinh Harvard Griffin, nói: “Những gì thực sự khiến chúng tôi vượt trội là sự kết hợp của ba điều – quy mô, bảo vệ được thông tin lượng tử và khiến cho toàn bộ quá trình đủ nhanh để thực sự trở nên hữu dụng.”

Nghiên cứu mới cũng thúc đẩy một đường biên phát triển nhanh cho nghiên cứu. Trên thực tế, vừa rồi một nhóm nghiên cứu từ Caltech đã tuyên bố một hệ 6.100 qubit nhưng chỉ đủ sức vận hành dưới 13 giây.

Trong một bài báo khác cũng xuất bản trên Nature trong tháng 9/2025, nhóm nghiên cứu Harvard-MIT đã chứng minh một cấu trúc gồm các dãy nguyên tử có thể tái cấu hình để mô phỏng các từ lượng tử lạ.

Cách tiếp cận này cho phép sự liên kết bộ xử lý để thay đổi trong suốt quá trình tính toán. Ngược lại, phần lớn các chip máy tính hiện hành – như trong các điện thoại di động hoặc máy tính bàn -đã được xử lý độ kết nối.

“Chúng tôi có thể tái cấu hình máy tính lượng tử nguyên tử trong khi đang vận hành. Về cơ bản, hệ này trở thành một thực thể sống”, Mikhail Lukin nói

Trong bài báo thứ ba trên Nature, nhóm nghiên cứu chứng minh một kiến trúc lượng tử với các phương pháp sửa lỗi mới. Với nghiên cứu này, Lukin tin tưởng có thể hình dung ra các máy tính lượng tử có thể biểu diễn được hàng tỉ phép tính và tiếp tục vận hành trong nhiều ngày.

“Việc hiện thực hóa giấc mơ này lần đầu tiên đã hiển hiện trước mắt chúng tôi”, ông nói. “Người ta có thể thực sự thấy một con đường trực tiếp hướng tới việc hiện thực hóa nó.”

Nghiên cứu này được tài trợ từ Bộ Năng lượng Mỹ, Hoạt động dự án nghiên cứu trí tuệ tiên tiến, Văn phòng nghiên cứu quốc phòng, Cơ quan nghiên cứu các dự án tiên tiến của Bộ Quốc phòng và Quỹ Khoa học quốc gia Mỹ.

Anh Vũ dịch từ ĐH Harvard 

Nguồn: