Nguyên nhân nằm ở "trái tim" của cỗ máy - qubit. Hiện có nhiều phương pháp và công nghệ khác nhau để tạo qubit, mỗi công nghệ đều có ưu điểm và hạn chế riêng, nhưng đều chưa đưa ra được giải pháp trọn vẹn. Chưa ai biết công nghệ nào sẽ trở thành nền tảng cho chiếc máy tính lượng tử trong tương lai.
Bài toán khó nhất: tạo ra qubit
Trong máy tính cổ điển đang được sử dụng ngày nay, các bộ vi xử lý (microprocessor) là các chip bán dẫn được coi là bộ não của máy tính, mọi phép tính đều được thực hiện bởi các mạch tích hợp của các transistor - linh kiện đóng vai trò biểu diễn hai trạng thái "0" và "1" của các bit thông tin. Mọi dữ liệu, từ con số, văn bản đến hình ảnh, cuối cùng đều được mã hóa thành những chuỗi bit như vậy để thuật toán xử lý.
Chip Nvidia B200. Ảnh: Nvidia
Máy tính lượng tử không dùng bit mà sử dụng qubit có thể tồn tại ở trạng thái chồng chập của cả "0" và "1" theo các quy luật của cơ học lượng tử. Chính đặc tính này mở ra khả năng xử lý đồng thời lượng thông tin khổng lồ, giúp máy tính lượng tử có thể giải quyết các bài toán mà máy tính cổ điển gần như bất lực.
Vấn đề nằm ở chỗ: tạo ra được một qubit đã khó, tạo ra hàng nghìn hay hàng triệu qubit còn khó hơn nhiều.
Cũng giống như chip bán dẫn càng có nhiều transistor thì năng lực tính toán càng mạnh (chip Blackwell B200 của Nvidia có đến 208 tỷ transistor), máy tính lượng tử muốn giải được các bài toán lớn thực sự hữu ích cũng cần số lượng qubit rất lớn, theo đánh giá của nhiều nhà khoa học tính toán lượng tử thì cần khoảng một triệu qubit.
Tuy nhiên, ước tính khoảng 1.000 đến 100.000 qubit cũng đủ tạo ra những đột phá lớn, đặc biệt trong khoa học vật liệu. Trong khi đó, các hệ thống thử nghiệm mới chỉ điều khiển được từ vài chục đến vài trăm qubit, và việc tạo ra một số lượng lớn qubit vẫn là thách thức hàng đầu của lĩnh vực này.
Qubit có thể được tạo ra dựa vào các công nghệ khác nhau như siêu dẫn, bẫy ion, nguyên tử trung hòa, spin qubit, quang tử, tô-pô... Mỗi công nghệ tạo qubit đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Một thách thức không thể không kể đến là hầu hết các phương pháp và công nghệ để tạo ra qubit đều đòi hỏi nhiệt độ thấp. Trong đó, máy tính siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ cực thấp, không khác gì nhiệt độ ở vùng không gian sâu thẳm ngoài vũ trụ. Để đạt được mức nhiệt độ này, hệ thống phải sử dụng các thiết bị làm lạnh chuyên dụng, kết hợp với helium lỏng, khiến chi phí chế tạo và vận hành rất cao. Quá trình làm lạnh cũng diễn ra chậm, thường mất nhiều giờ, thậm chí khoảng một ngày, trước khi máy đạt đến nhiệt độ cần thiết để hoạt động ổn định.
Ở chiều ngược lại, công nghệ quang tử có ưu thế là có thể vận hành ở nhiệt độ phòng nhờ sử dụng photon làm qubit. Nhưng việc tạo và điều khiển các qubit photon vẫn là một trong những thách thức kỹ thuật lớn. Khác với ánh sáng từ các nguồn thông thường như bóng đèn, nơi các photon được phát ra ngẫu nhiên và không thể kiểm soát riêng lẻ, các photon dùng làm qubit phải được phát ra với trạng thái lượng tử được xác định chính xác và duy trì ổn định trong suốt quá trình xử lý thông tin. Do có thể hoạt động ở nhiệt độ bình thường, máy tính lượng tử theo hướng quang tử vẫn được coi là hướng có khả năng ứng dụng thực tế và phổ biến rộng rãi nhất và đã thu được các khoản đầu tư lên tới nhiều tỷ USD.
Vì sao công nghệ siêu dẫn hứa hẹn
Trong các công nghệ tạo qubit hiện nay, công nghệ máy tính lượng tử siêu dẫn đã đạt nhiều thành tựu quan trọng trong thời gian qua.
Chip lượng tử Majorana 1 của Microsoft. Ảnh: Microsoft
Qubit siêu dẫn là các vòng có kích thước khoảng 50 micron làm bằng chất siêu dẫn cho dòng điện chạy trên đó rất ít tổn hao năng lượng. Chiều của dòng điện chạy ngược nhau trong vòng được biểu diễn bởi trạng thái "0" và "1" của qubit. Khi ở nhiệt độ cực thấp, gần với nhiệt độ 0 tuyệt đối (tương đương -273,15°C), thì cả hai dòng điện theo hai chiều ngược nhau cùng tồn tại trong vòng. Chính vì vậy, mạch điện trên vòng siêu dẫn này mô phỏng được trạng thái chồng chập cả ‘0’ và ‘1’ của một qubit.
Ngoài ra, qubit siêu dẫn dù có kích thước nhỏ nhưng không quá nhỏ như các hạt vi mô như electron hay nguyên tử nên việc tạo ra chúng cũng thuận tiện hơn so với các loại qubit khác. Nhưng quan trọng hơn cả là kỹ thuật điều khiển và làm biến đổi trạng thái của các qubit siêu dẫn đã đạt mức "chín muồi" vì chất siêu dẫn đã được nghiên cứu suốt hơn 100 năm qua. Trong lịch sử phát triển KH&CN có lẽ không lĩnh vực nghiên cứu nào nhận được nhiều giải Nobel như lĩnh vực siêu dẫn (các năm 1913, 1972, 1973, 1987 và 2023).
IBM là một trong những công ty lớn đầu tiên có chương trình phát triển máy tính lượng tử siêu dẫn. Do vị thế hàng đầu của IBM về công nghệ máy tính, các nghiên cứu của công ty về máy tính lượng tử đã có ảnh hưởng đến nhiều công ty và viện nghiên cứu trên toàn thế giới. IBM cũng có những nghiên cứu hàng đầu về chất siêu dẫn. Điển hình như giải Nobel Vật lý năm 1987 được trao cho TS. Karl Müller của IBM ở Zurich, Thụy Sĩ, về các nghiên cứu chất siêu dẫn. Việc IBM phát triển máy tính lượng tử siêu dẫn là sự kết hợp tuyệt vời các ưu thế của mình. Năm 2016, IBM mở ra trang web ibmquantumexperience cho phép sử dụng miễn phí máy tính lượng tử với 5 và 16 qubit. Năm 2023, IBM đưa vào thử nghiệm hai hệ máy tính lượng tử mới IBM Osprey có 433 qubit và IBM Condo có 1128 qubit...
Ảnh chụp tiếp xúc giữa các lớp vật liệu trong qubit tô-pô Majorana 2 (trái) so với cách chế tạo trước đó. Ảnh của Microsoft báo cáo tại hội nghị 21/7/2026
Cũng theo hướng công nghệ siêu dẫn, Microsoft lại chọn đi theo một hướng hoàn toàn khác gọi là qubit tô-pô. Bắt đầu thực hiện dự án nghiên cứu và phát triển này vào đầu những năm 2000, đến nay Microsoft đã tiêu tốn cả trăm triệu USD. Đây cũng là chương trình nghiên cứu dài hạn nhất của Microsoft [1].
Sau nhiều lần thất bại, năm ngoái Microsoft cho ra mắt chip Majorana 1 của tô-pô qubit đầu tiên. Mới tháng Năm vừa qua, Microsoft cho ra mắt chip Majonara 2 và cho rằng có thể cho ra mắt máy tính lượng tử tô-pô vào năm 2029 thay vì vài chục năm như kế hoạch cũ [2]. Theo các nhà khoa học của Microsoft thì thay đổi có tính quyết định của Majorana 2 là việc chế tạo các qubit tô-pô bao gồm các lớp tiếp xúc giữa vật liệu siêu dẫn và bán dẫn đã đạt đến mức gần như hoàn hảo, cho phép thời gian kết hợp các qubit tô-pô Majorana 2 tăng lên cả ngàn lần so với Majorana 1, và đó là một tham số hết sức quan trọng trong tính toán lượng tử [3].
Cùng theo đuổi hướng phát triển máy tính lượng tử sử dụng công nghệ siêu dẫn, ngoài IBM và Microsoft, còn có Google, Fujitsu, Đại học Oxford...
Chặng đường phía trước
Mặc dù hướng công nghệ siêu dẫn trong khoảng 5 năm trở lại đây đã có những thành tựu vượt bậc, các nhà khoa học vẫn cho rằng chặng đường trước mắt còn hết sức gian nan.
Trước hết, máy tính siêu dẫn có ưu điểm là các qubit có thể được điều khiển rất chính xác, nhưng với điều kiện nhiệt độ siêu thấp mà nó đòi hỏi thì khả năng ứng dụng sẽ gặp rất nhiều khó khăn.
Ảnh chụp cấu trúc của qubit tô-pô Majorana 2 và thời gian sống của chúng lên tới hàng chục giây thậm chí cả phút. Ảnh của Microsoft báo cáo tại hội nghị 21/7/2026 [3]
Thứ hai, hệ thống máy tính siêu dẫn cồng kềnh - một phần bởi cần trang bị một hệ thống có khả năng làm lạnh đến nhiệt độ thấp, và phần khác do các qubit siêu dẫn cũng không thể chế tạo quá nhỏ. Hệ thống trở nên lớn khi số qubit lên tăng lên, khó tạo ra các tương tác giữa các qubit trong quá trình tính toán...
Ngoài ra, các qubit có dạng vòng siêu dẫn nói trên có thời gian sống cực ngắn (cỡ millisecond tức phần ngàn của giây). Đây là một khó khăn có tính nguyên tắc cần phải vượt qua mới có thể thực hiện được nhiều phép tính phức tạp. Việc Microsoft gần đây chế tạo được các qubit tô-pô có thời gian sống cỡ 20 giây, thậm chí có trường hợp lên tới cả phút, là một tiến bộ có tính đột phá khiến cho nhiều người hy vọng máy tính lượng tử siêu dẫn có thể thành công sớm hơn dự đoán ban đầu.
Các hướng phát triển sử dụng các công nghệ khác như bẫy ion, nguyên tử trung hòa hay quang tử... cũng cho nhiều kết quả khả quan, thu hút được vốn đầu tư rất lớn. Tuy vậy, cho đến nay chưa hướng nào mang lại kết quả có tính đột phá với số qubit không quá vài trăm.
Theo nhiều phân tích uy tín, máy tính lượng tử hiện đã vượt qua giai đoạn đầu - giai đoạn Proof of Concept, được coi là có tính quyết định liệu công nghệ mới này có thể và nên tiếp tục nghiên cứu hay không. Máy tính lượng tử cũng đã vượt qua giai đoạn thứ hai khi chứng minh được nó thực sự siêu việt (supremacy) so với máy tính cổ điển. Đây cũng là giai đoạn ảnh hưởng đến khả năng thu hút đầu tư tài chính của các chính phủ và các quỹ đầu tư mạo hiểm, nhờ đó thu hút được nhân tài. Chỉ sau khi chứng minh được bằng thực nghiệm rằng tính toán lượng tử có thể nhanh hơn gấp nhiều lần - ở đây là hàng tỷ lần, so với máy tính cổ điển, giới đầu tư mới mở rộng hầu bao rót tiền thúc đẩy nghiên cứu và phát triển, tạo ra những đột phá về mặt kỹ thuật khó ai có thể dự đoán được.
Nhiều người không giấu sự hoài nghi về khả năng hiện thực của máy tính lượng tử. Họ chỉ ra một thực tế không thể phủ nhận là trong khoảng 15 năm qua, thế giới đã chi hàng chục tỷ USD nhưng chỉ tạo ra các máy tính lượng tử chưa hoàn thiện hoạt động với vài chục hay nhiều lắm vài trăm qubit.
ENIAC, một trong những máy tính đồ sộ nhất trong lịch sử phần cứng máy tính. Ảnh: Wikipedia
Tuy nhiên, vẫn không ít người lạc quan bởi chẳng phải chiếc máy tính ENIAC ra đời năm 1945 to bằng cả tòa nhà có bộ xử lý chỉ chứa khoảng 17 nghìn đèn ống chân không đấy sao. Lúc bấy giờ, không ai tin rằng sẽ có ngày chiếc máy tính chỉ nhỏ bằng quyển sách nhưng có bộ vi xử lý chứa cả tỷ transistor tương đương với các đèn ống chân không. Thậm chí sẽ bị coi là hoang tưởng nếu lúc đó dự đoán một bộ vi xử lý nhỏ cỡ một con tem chứa hàng tỷ transistor trong chiếc máy nằm gọn trong bài tay của hàng tỷ người dân trên hành tinh này - đó là chính là những chiếc smartphone (bộ vi xử lý của iPhone 17 có gần 20 tỷ transistor).
Dù bi quan hay lạc quan, nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử và rộng ra là công nghệ lượng tử vẫn vô cùng thách thức ngay cả với các quốc gia có nền khoa học và công nghệ hàng đầu. Tuy nhiên, có một số quốc gia có nền kinh tế nhỏ và vừa như Singapore, Hà Lan, Úc, New Zealand... biết tìm ra những con đường thích hợp, với các đầu tư không quá lớn nhưng vẫn đạt những thành tựu lớn và nằm trong các quốc gia hàng đầu trong cuộc đua công nghệ lượng tử.
Có nhiều con đường như vậy và chúng ta sẽ tìm hiểu ở phần sau.
---
Chú thích:
[1] Xem loạt bài về hạt Majorana và chương trình nghiên cứu và phát triển tô pô qubit trên Tia Sáng.
[2] Introducing Majorana 2. Microsoft. https://news.microsoft.com/source/features/innovation/majorana-2-microsoft-discovery-agentic-ai/
[3] Báo cáo của Microsoft tại hội nghị Midwest Quantum Collaboratory Entanglements tại Purdue University, 21-22 tháng 7/2026. Ảnh do tác giả tham dự hội nghị và chup lại từ báo cáo.