For English version, please click HERE.
Hôm nay, Microsoft đã giới thiệu Majorana 1, chip lượng tử đầu tiên trên thế giới sử dụng kiến trúc Lõi Topological mới với kỳ vọng sẽ hiện thực hóa các máy tính lượng tử có khả năng giải quyết các vấn đề công nghiệp quy mô lớn chỉ trong vài năm, thay vì nhiều thập kỷ.
Chip này sử dụng topoconductor đầu tiên trên thế giới, một loại vật liệu đột phá có thể quan sát và kiểm soát các hạt Majorana để tạo ra các qubit đáng tin cậy với khả năng mở rộng hơn, vốn là các khối xây dựng của máy tính lượng tử.
Cũng giống như phát minh của chất bán dẫn cho điện thoại thông minh, máy tính và các thiết bị điện tử, topoconductors và loại chip mới mang lại khả năng phát triển các hệ thống lượng tử có thể mở rộng đến một triệu qubit và có thể giải quyết các vấn đề công nghiệp và xã hội phức tạp nhất, Microsoft cho biết.
“Chúng tôi đã lùi một bước và nói hãy phát minh ra transistor cho thời đại lượng tử! Nó cần có những đặc tính gì?” chuyên gia kỹ thuật Chetan Nayak của Microsoft chia sẻ. “Và đó chính là cách chúng tôi đạt được thành tựu này – sự kết hợp độc đáo, chất lượng vượt trội và những chi tiết quan trọng trong cấu trúc vật liệu mới đã cho phép chúng tôi tạo ra loại qubit mới, từ đó xây dựng nên toàn bộ kiến trúc của chúng tôi.
Kiến trúc mới được sử dụng để phát triển bộ xử lý Majorana 1 này mở ra con đường phát triển một triệu qubit trên một chip duy nhất có kích thước vừa trong lòng bàn tay. Đây là một ngưỡng cần thiết để máy tính lượng tử cung cấp các giải pháp biến đổi, thực tế – như phân hủy vi nhựa thành các sản phẩm phụ vô hại hoặc phát minh ra các vật liệu tự phục hồi cho xây dựng, sản xuất hoặc chăm sóc sức khỏe. Tất cả các máy tính hiện tại trên thế giới hoạt động cùng nhau không thể làm được điều mà một máy tính lượng tử một triệu qubit sẽ có thể làm.
“Bất cứ điều gì bạn đang làm trong không gian lượng tử đều hướng đến mục tiêu một triệu qubit. Nếu không, bạn sẽ gặp khó khăn trước khi đạt đến quy mô mà bạn có thể giải quyết các vấn đề quan trọng “, Nayak nói. “Chúng tôi thực sự đã tìm ra một con đường dẫn đến một triệu qubit”.
Topoconductor, hay siêu dẫn topological, là một loại vật liệu đặc biệt có thể tạo ra một trạng thái vật chất hoàn toàn mới – không phải rắn, lỏng hay khí mà là trạng thái siêu dẫn topo (topological). Điều này được khai thác để tạo ra một qubit ổn định hơn, nhanh hơn, nhỏ gọn hơn và có thể được điều khiển kỹ thuật số, mà không cần những sự đánh đổi mà các giải pháp hiện tại yêu cầu.
Một bài báo mới được xuất bản vào thứ Tư trên tạp chí Nature nêu chi tiết cách các nhà nghiên cứu của Microsoft có thể tạo ra các tính chất lượng tử kỳ lạ của qubit topological và cũng đo lường chính xác chúng, một bước cần thiết cho việc tính toán thực tiễn.
Đột phá này đã yêu cầu phát triển một cấu trúc vật liệu hoàn toàn mới làm từ arsenide indium và nhôm, phần lớn được Microsoft thiết kế và chế tạo từng nguyên tử. Mục tiêu là để tạo ra các hạt lượng tử mới gọi là Majoranas và tận dụng các tính chất độc đáo của chúng để đạt tới chân trời tiếp theo của tính toán lượng tử, Microsoft cho biết.
Lõi Topological đầu tiên trên thế giới cung cấp năng lượng cho Majorana 1 được thiết kế đáng tin cậy, kết hợp khả năng kháng lỗi ở cấp độ phần cứng nên làm cho nó ổn định hơn.
Những ứng dụng quan trọng về mặt thương mại cũng sẽ đòi hỏi hàng nghìn tỷ thao tác trên một triệu qubit, điều này sẽ không khả thi với các phương pháp hiện tại dựa vào điều khiển tương tự tinh chỉnh của từng qubit. Phương pháp đo lường mới của nhóm Microsoft cho phép điều khiển qubit kỹ thuật số, định nghĩa lại và đơn giản hóa đáng kể cách thức hoạt động của máy tính lượng tử.
Tiến bộ này minh chứng cho lựa chọn của Microsoft từ nhiều năm trước khi theo đuổi thiết kế qubit topological – một thách thức khoa học và kỹ thuật đầy rủi ro cao nhưng có phần thưởng lớn và hiện đang mang lại kết quả. Ngày nay, công ty đã đặt tám qubit topological lên một chip được thiết kế để mở rộng đến một triệu qubit.
“Từ ban đầu, chúng tôi đã muốn tạo ra một máy tính lượng tử sẽ mang đến những tác động thương mại,” Matthias Troyer, thành viên kỹ thuật của Microsoft chia sẻ. “Chúng tôi biết chúng tôi cần một loại qubit mới. Chúng tôi biết chúng tôi phải mở rộng quy mô.”
Cách tiếp cận đó đã dẫn đến việc Cơ quan Dự án Nghiên cứu Quốc phòng (DARPA), một cơ quan liên bang đầu tư vào các công nghệ đột phá quan trọng đối với an ninh quốc gia, đưa Microsoft vào một chương trình nghiêm ngặt để đánh giá xem liệu các công nghệ máy tính lượng tử đổi mới có thể xây dựng các hệ thống lượng tử có liên quan đến thương mại nhanh hơn so với niềm tin thông thường hay không.
Hiện tại, Microsoft là một trong hai công ty được mời chuyển sang giai đoạn cuối cùng của chương trình Hệ thống Chưa được Khám phá cho Máy tính Lượng tử Quy mô Tiện ích (US2QC) của DARPA – một trong những chương trình tạo nên Sáng kiến Đánh giá Lượng tử lớn hơn của DARPA – nhằm cung cấp máy tính lượng tử chịu lỗi đầu tiên trong ngành có giá trị tính toán vượt trội so với chi phí của nó.
“Chỉ cần cung cấp câu trả lời cho bạn”
Ngoài việc phát triển phần cứng lượng tử của riêng mình, Microsoft đã hợp tác với Quantinuum và Atom Computing để đạt được những đột phá khoa học và kỹ thuật với các qubit hiện tại, bao gồm cả việc công bố máy tính lượng tử đáng tin cậy đầu tiên của ngành vào năm ngoái.
Những loại máy này mang lại cơ hội quan trọng để phát triển các kỹ năng lượng tử, xây dựng các ứng dụng lai và thúc đẩy khám phá mới, đặc biệt là khi AI được kết hợp với các hệ thống lượng tử mới được cung cấp bởi số lượng qubit đáng tin cậy lớn hơn. Hiện nay, Azure Quantum cung cấp một bộ giải pháp tích hợp cho phép khách hàng tận dụng các nền tảng AI, điện toán hiệu suất cao và lượng tử hàng đầu trong Azure để thúc đẩy khám phá khoa học.
Tuy nhiên, để đạt được tiến bộ tiếp theo của điện toán lượng tử sẽ cần một kiến trúc lượng tử có thể cung cấp một triệu qubit trở lên và đạt được hàng nghìn tỷ thao tác nhanh chóng và đáng tin cậy. Thông báo hôm nay của Microsoft cho biết tiến bộ đó sẽ chỉ trong vài năm tới, không phải vài thập kỷ.
Bởi vì chúng có thể sử dụng cơ học lượng tử để lập bản đồ toán học cách mà tự nhiên hoạt động với độ chính xác đáng kinh ngạc – từ phản ứng hóa học đến tương tác phân tử và năng lượng enzyme – các máy tính triệu qubit sẽ có thể giải quyết một số loại vấn đề trong hóa học, khoa học vật liệu và các ngành công nghiệp khác mà máy tính cổ điển ngày nay không thể tính toán chính xác.
- Ví dụ, chúng có thể giúp giải quyết câu hỏi khó khăn về hóa học tại sao các vật liệu chịu sự ăn mòn hoặc nứt. Điều này có thể dẫn đến các vật liệu tự phục hồi có thể sửa chữa các vết nứt trên cầu hoặc các bộ phận máy bay, màn hình điện thoại bị vỡ hoặc cửa xe bị trầy xước.
- Bởi vì có rất nhiều loại nhựa, hiện tại không thể tìm ra một chất xúc tác duy nhất phù hợp cho tất cả để có thể phá vỡ chúng – đặc biệt quan trọng trong việc làm sạch vi nhựa hoặc giải quyết ô nhiễm carbon. Máy tính lượng tử có thể tính toán các đặc tính của các chất xúc tác như vậy để phân hủy chất ô nhiễm thành các sản phẩm phụ có giá trị hoặc phát triển các chất thay thế không độc hại ngay từ đầu.
- Các enzyme, một loại chất xúc tác sinh học, có thể được khai thác hiệu quả hơn trong chăm sóc sức khỏe và nông nghiệp nhờ vào các tính toán chính xác về hành vi của chúng mà chỉ máy tính lượng tử mới có thể cung cấp. Điều này có thể dẫn đến những đột phá giúp xóa đói giảm nghèo toàn cầu: tăng cường độ phì nhiêu của đất để tăng sản lượng hoặc thúc đẩy sự phát triển bền vững của thực phẩm trong các môi trường khắc nghiệt.
Quan trọng nhất, điện toán lượng tử có thể cho phép các kỹ sư, nhà khoa học, công ty và những người khác thiết kế mọi thứ đúng ngay từ lần đầu tiên – điều này sẽ thay đổi mọi thứ từ chăm sóc sức khỏe đến phát triển sản phẩm. Sức mạnh của điện toán lượng tử, kết hợp với các công cụ AI, sẽ cho phép ai đó mô tả loại vật liệu hoặc phân tử mới mà họ muốn tạo ra bằng ngôn ngữ thường và nhận được câu trả lời hoạt động ngay lập tức – không cần phỏng đoán hay nhiều năm thử nghiệm và sai sót.
“Bất kỳ công ty nào làm bất cứ điều gì đều có thể thiết kế nó hoàn hảo ngay từ lần đầu tiên. Nó sẽ chỉ cho bạn câu trả lời,” Troyer nói. “Máy tính lượng tử dạy AI ngôn ngữ của tự nhiên để AI có thể chỉ cho bạn công thức cho những gì bạn muốn làm.”
Nhìn lại điện toán lượng tử ở quy mô lớn
Thế giới lượng tử hoạt động theo các quy luật của cơ học lượng tử, khác với các quy luật vật lý chi phối thế giới mà chúng ta thấy. Các hạt được gọi là qubit, tương tự như các bit, hoặc các số 0 và 1, mà máy tính hiện nay sử dụng.
Qubit rất nhạy cảm và dễ bị ảnh hưởng bởi sự nhiễu loạn và lỗi từ môi trường, khiến chúng tan rã và mất thông tin. Trạng thái của chúng cũng có thể bị ảnh hưởng bởi việc đo lường – một vấn đề vì việc đo lường là điều cần thiết cho việc tính toán. Một thách thức cố hữu là phát triển một qubit có thể được đo lường và kiểm soát, trong khi vẫn bảo vệ khỏi nhiễu môi trường làm hỏng chúng.
Qubit có thể được tạo ra theo nhiều cách khác nhau, mỗi cách đều có ưu và nhược điểm. Gần 20 năm trước, Microsoft quyết định theo đuổi một hướng đi độc đáo: phát triển qubit tô-pô, mà họ tin rằng sẽ mang lại các qubit ổn định hơn, yêu cầu ít hiệu chỉnh lỗi hơn, qua đó mở ra những ưu điểm về tốc độ, kích thước và khả năng kiểm soát. Hướng tiếp cận này tạo ra một đường cong học tập dốc, đòi hỏi những đột phá khoa học và kỹ thuật chưa từng có, nhưng cũng là con đường hứa hẹn nhất để tạo ra các qubit có thể mở rộng và kiểm soát được, có khả năng thực hiện các công việc có giá trị thương mại.
Nhược điểm là – hoặc đã từng – cho đến gần đây các hạt ngoại lai mà Microsoft muốn sử dụng, được gọi là Majorana, chưa từng được nhìn thấy hoặc tạo ra. Chúng không tồn tại trong tự nhiên và chỉ có thể được tạo ra với từ trường và siêu dẫn. Khó khăn trong việc phát triển các vật liệu phù hợp để tạo ra các hạt ngoại lai này và trạng thái tô-pô liên quan của chúng là lý do tại sao hầu hết các nỗ lực lượng tử đều tập trung vào các loại qubit khác.
Bài báo trên tạp chí Nature xác nhận rằng Microsoft không chỉ có thể tạo ra các hạt Majorana, giúp bảo vệ thông tin lượng tử khỏi nhiễu ngẫu nhiên, mà còn có thể đo lường thông tin đó một cách đáng tin cậy bằng vi sóng.
Các hạt Majorana giấu thông tin lượng tử, làm cho nó mạnh mẽ hơn nhưng cũng khó đo hơn. Cách tiếp cận đo lường mới của đội ngũ Microsoft chính xác đến mức có thể phát hiện sự khác biệt giữa một tỷ và một tỷ lẻ một electron trong một dây siêu dẫn – điều này cho máy tính biết trạng thái của qubit và hình thành cơ sở cho tính toán lượng tử.
Các phép đo có thể được bật và tắt bằng các xung điện áp, giống như việc bật công tắc đèn, thay vì điều chỉnh chính xác các núm điều khiển cho từng qubit riêng lẻ. Cách tiếp cận đo lường đơn giản này cho phép điều khiển kỹ thuật số, đơn giản hóa quá trình tính toán lượng tử và các yêu cầu vật lý để xây dựng một máy tính có thể mở rộng.
Topological qubit của Microsoft cũng có một lợi thế so với các qubit khác nhờ kích thước của nó. Ngay cả đối với thứ gì đó nhỏ bé, vẫn có một vùng “Goldilocks”, nơi một qubit quá nhỏ rất khó để chạy các đường dây điều khiển tới, nhưng một qubit quá lớn lại yêu cầu một máy tính khổng lồ, Troyer nói. Việc thêm công nghệ điều khiển cá nhân hóa cho các loại qubit đó sẽ yêu cầu xây dựng một máy tính không thực tế có kích thước bằng một nhà để máy bay hoặc sân bóng đá.
Majorana 1, con chip lượng tử của Microsoft chứa cả các qubit và các thiết bị điện tử điều khiển xung quanh, nhỏ gọn trong lòng bàn tay và dễ dàng được triển khai trong các trung tâm dữ liệu Azure.
Thiết kế vật liệu lượng tử từng nguyên tử một
Kiến trúc topological qubit của Microsoft có các dây nano nhôm được nối lại để tạo thành chữ H. Mỗi chữ H có bốn Majorana có thể điều khiển và tạo thành một qubit. Các chữ H này cũng có thể được kết nối và sắp xếp trên chip như nhiều viên gạch.
“Nó phức tạp ở chỗ chúng tôi phải chứng minh một trạng thái vật chất mới để đạt được điều đó, nhưng sau đó, nó khá đơn giản. Nó được sắp xếp giống như lát gạch. Bạn có kiến trúc đơn giản hơn nhiều và hứa hẹn một cách nhanh hơn để mở rộng quy mô,” Krysta Svore, cộng sự kỹ thuật của Microsoft cho biết.
Con chip lượng tử không hoạt động một mình. Nó tồn tại trong một hệ sinh thái với logic điều khiển, tủ lạnh pha loãng giữ qubit ở nhiệt độ lạnh hơn không gian bên ngoài và ngăn xếp phần mềm có thể tích hợp với AI và máy tính cổ điển. Tất cả những mảnh ghép đó đều tồn tại, được xây dựng hoặc sửa đổi hoàn toàn nội bộ, bà nói.
Rõ ràng là, việc tiếp tục tinh chỉnh các quy trình đó và làm cho tất cả các yếu tố hoạt động cùng nhau ở quy mô tăng tốc sẽ cần thêm nhiều năm kỹ thuật. Nhưng nhiều thách thức khoa học và kỹ thuật khó khăn hiện đã được giải quyết, Microsoft cho biết.
Giải quyết sự xếp chồng vật liệu để tạo ra trạng thái vật chất tô-pô là một trong những phần khó nhất, Svore nói thêm. Thay vì silicon, bộ dẫn tô-pô của Microsoft được làm từ indium arsenide, một vật liệu hiện đang được sử dụng trong các ứng dụng như máy dò hồng ngoại với các đặc tính đặc biệt. Chất bán dẫn được kết hợp với tính siêu dẫn, nhờ vào độ lạnh cực độ, để tạo thành một loại lai.
“Chúng tôi thực sự đang phun từng nguyên tử. Những vật liệu đó phải xếp hàng hoàn hảo. Nếu có quá nhiều khuyết tật trong lớp vật liệu, nó sẽ giết chết qubit của bạn. Đó cũng là lý do tại sao chúng ta cần một máy tính lượng tử – bởi vì việc hiểu các vật liệu này cực kỳ khó. Với một máy tính lượng tử quy mô, chúng ta sẽ có thể dự đoán các vật liệu có đặc tính tốt hơn để xây dựng thế hệ máy tính lượng tử tiếp theo vượt ra ngoài giới hạn,” bà Svore nói.