Điện toán lượng tử có tiềm năng đạt được những phát triển lớn về tốc độ tính toán so với điện toán truyền thống. Nhưng trở ngại chính để hiện thực hóa toàn bộ khả năng của máy tính là tiếng ồn cố hữu và những lỗi của những hệ thống lượng tử. Đối mặt với những thách thức khó khăn này này, IBM trong một nghiên cứu gần đây đã tạo ra một bước đột phá đột phá về điện toán lượng tử, kết quả được đăng nổi bật trên tạp chí khoa học uy tín Nature.

Trung tâm thử nghiệm Máy tính Lượng tử của IBM

Điện toán lượng tử được phát triển nhằm giải quyết những mô phỏng của các thành phần vật chất mà những máy tính truyền thống, bao gồm cả siêu máy tính phải rất khó khăn để xử lý một cách hiệu quả. Nhưng những hệ thống lượng tử hiện nay vẫn có tiếng ồn cố hữu và tỷ lệ lỗi cao do tính chất tinh vi của qubit và tác động từ nhiễu loạn môi trường.

Thực hiện một thử nghiệm, nhóm Nghiên cứu IBM chứng minh được, máy tính lượng tử có thể cho kết quả vượt trội hơn trong những mô phỏng do các siêu máy tính hàng đầu thực hiện bằng phương thức học hỏi và giảm thiểu lỗi trong hệ thống. Nhóm nghiên cứu, sử dụng bộ xử lý lượng tử “Eagle” của IBM Quantum, bao gồm 127 qubit siêu dẫn trên một chip đã  thành công tạo ra các trạng thái vướng víu lớn, mô phỏng động lực quay của một mô hình vật chất. Máy tính lượng tử dự đoán chính xác những thuộc tính như từ hóa.

Để xác thực tính chính xác của những mô phỏng này, một nhóm nhà khoa học tại Đại học California, Berkeley “(UC) Berkeley” đã thực hiện những mô phỏng tương tụ trên các máy tính truyền thống tiên tiến tại Trung tâm Điện toán Khoa học Nghiên cứu Năng lượng Quốc gia (NERSC) thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley và Đại học Purdue. Khi độ phức tạp của mô hình tăng lên, máy tính lượng tử luôn tạo ra kết quả chính xác nhờ những kỹ thuật giảm thiểu lỗi tiên tiến. Ngược lại, những phương pháp điện toán truyền thống cuối cùng bị treo và không thể đạt được hiệu suất tương tự như hệ thống lượng tử IBM.

Trong video do IBM Research cung cấp, công ty IBM Quantum và UC Berkeley đã hợp tác trong cuộc thử nghiệm và chứng minh được, phương thức máy tính lượng tử đạt được độ tin cậy và độ chính xác chưa từng có, giải quyết những vấn đề mô phỏng đầy thách thức ở quy mô 127 qubit.

Quy mô này vượt xa những phương pháp tính toán chính xác trên máy tính truyền thống mạnh nhất. Nghiên cứu chứng minh được, hiện chỉ có hai tùy chọn để giải các bài toán mô phỏng lượng tử ở quy mô lớn: Một là các phương pháp xấp xỉ cổ điển, có khả năng mở rộng hơn nhưng kém chính xác hơn những phương pháp truyền thống chính xác và Hai là phần cứng lượng tử.

Theo Darío Gil, Phó chủ tịch cấp cao kiêm Giám đốc nghiên cứu của IBM, thành tựu thử nghiệm này là trường hợp đầu tiên máy tính lượng tử mô hình hóa thành công một hệ thống vật lý tự nhiên với độ chính xác vượt trội hơn so những phương pháp cổ truyền thống hàng đầu.

Ông nói: “Đối với chúng tôi, cột mốc này là một bước tiến thực sự quan trọng trong nỗ lực chứng minh rằng, những máy tính lượng tử là những công cụ khoa học có tiềm lực mạnh mẽ, có thể được sử dụng để mô hình hóa những vấn đề cực kỳ khó và có thể là không thể đối với những hệ thống tính toán truyền thống, một dấu hiệu rõ ràng cho thấy, chúng ta hiện đang bước vào một kỷ nguyên mới cho những ứng dụng của điện toán lượng tử.”

Tăng cường sức mạnh cho các hệ thống IBM Quantum

IBM hiện có kế hoạch nâng cao sức mạnh tính toán của các hệ thống IBM Quantum bằng việc trang bị cho những máy tính này các chip tối thiểu 127 qubit, hoàn thành trong năm 2024. Những bộ xử lý tiên tiến này sẽ cung cấp quyền truy cập vào khả năng tính toán vượt trội hơn so với các phương pháp truyền thống cho những ứng dụng cụ thể. Ngoài ra, các máy tính lượng tử sẽ thể hiện sự mạch lạc theo thời gian ngày càng rõ ràng hơn và giảm tỷ lệ lỗi so với những hệ thống lượng tử trước đây của IBM.

Bằng giải pháp kết hợp những tính năng nâng cao này với các kỹ thuật giảm thiểu lỗi liên tục phát triển, các hệ thống IBM Quantum hướng tới mục tiêu đạt đến ngưỡng mới của ngành lượng tử, được gọi là “quy mô tiện ích”. Đến thời điểm này, máy tính lượng tử bước ra khỏi phòng thí nghiệm và có thể đóng vai trò là một công cụ khoa học, một máy tính thực sự, có thể giải quyết hàng loạt vấn đề ở quy mô mà những hệ thống máy tính truyền thống có thể không bao giờ giải quyết được.

IBM Quantum System One.  Nghiên cứu của IBM

IBM Quantum hiện đang cung cấp những bộ xử lý quy mô tiện ích với hơn 100 qubit cho tất cả các khách hàng tiềm năng. Sự phát triển này cho phép hơn 2.000 người, tham gia Diễn đàn Thử thách Mùa xuân lượng tử của IBM tiếp cận những bộ xử lý quy mô dịch vụ tiện ích này. Trong suốt Thử thách, những thành viên tham gia có thể khám phá những mạch động, một công nghệ tiên tiến, cho phép thực hiện các thuật toán lượng tử tiên tiến hơn.

IBM thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ điện toán lượng tử

 IBM từ ngày đầu tiên đã tích cực tham gia vào lĩnh vực điện toán lượng tử và đạt được những cột mốc đáng chú ý. Cuối năm 2022, công ty đã xác lập một kỷ lục mới, chế tạo được hệ thống điện toán lượng tử lớn nhất, có bộ xử lý chứa 433 qubit, đơn vị cơ bản của quá trình xử lý thông tin lượng tử tương tự như bit. Phát triển tham vọng trên thành tựu này, IBM hiện đặt mục tiêu thậm chí còn lớn hơn, chế tạo một cỗ máy lượng tử 100.000 qubit trong thập kỷ tới.

IBM đưa ra thông báo này trong hội nghị thượng đỉnh G7, được tổ chức tại Hiroshima, Nhật Bản ngày 22/5. Để đạt được mục tiêu rất lớn này, IBM sẽ hợp tác với Đại học Tokyo và Đại học Chicago trong một sáng kiến ​có tổng vốn đầu tư 100 triệu USD. Mục đích chính của dự án là phát triển điện toán lượng tử đạt được khả năng hoạt động ở quy mô đầy đủ, cho phép công nghệ giải quyết những vấn đề phức tạp vượt quá khả năng tính toán của các siêu máy tính thông thường.

Máy làm lạnh lượng tử IBM. Ảnh Nghiên cứu IBM

Khát vọng của IBM về cỗ máy 100.000 qubit không phải là duy nhất, do các công ty công nghệ khác đều đặt mục tiêu rất cao. Google đã thông báo ý định chế tạo một máy tính điện tử đạt đến một triệu qubit vào cuối thập kỷ, dù chỉ một phần trong tổng số những qubit này được sử dụng để tính toán do nhưng hạn chế về sửa lỗi.

 IonQ, có trụ sở tại Maryland, có kế hoạch đạt được 1.024 “qubit logic” vào năm 2028, mỗi qubit logic sẽ bao gồm một mạch 13 qubit vật lý để sửa lỗi. Công ty PsiQuantum, có trụ sở tại Palo Alto, chia sẻ mục tiêu triệu qubit của Google nhưng không công bố chi tiết về thời gian thực hiện hoặc yêu cầu số lượng qubit vật lý để sửa lỗi.

Những thông báo chỉ tập trung vào số lượng qubit vật lý có thể gây hiểu lầm, vì cấu trúc chi tiết của máy tính lượng tử có ảnh hưởng rất lớn đến những yếu tố như khả năng chống ồn và khả năng vận hành dễ dàng. Những công ty điện toán lượng tử thường cung cấp các số liệu hiệu suất thay thế, chẳng hạn như “khối lượng lượng tử” và số lượng “qubit thuật toán”. Trong thập kỷ tới, với những tiến bộ trong kỹ thuật sửa lỗi, hiệu suất qubit, giảm thiểu lỗi trên phần mềm và sự khác biệt giữa những loại qubit khác nhau sẽ khiến cuộc cạnh tranh này có xu hướng được đánh giá theo các số liệu hiệu suất.

Hiện nay, điện toán lượng tử đang ở giai đoạn phát triển then chốt với những thành tựu đột phá của IBM trong khả năng mô hình hóa chính xác các hệ thống vật lý tự nhiên ngoài những phương pháp tiếp cận truyền thống. Những tiến bộ trong bộ xử lý lượng tử và kỹ thuật giảm thiểu lỗi đưa thế giới đến gần hơn với hiện thực hóa máy tính lượng tử như một công cụ khoa học mạnh mẽ, được ứng dụng trong thế giới thực.