Silicon - Chìa khoá cho điện toán lượng tử

Những nỗ lực để xây dựng máy tính lượng tử thực tế còn chưa vươn quá được khỏi vạch xuất phát. Con người vẫn ở giai đoạn tìm kiếm vật liệu cho công nghệ này và các ứng cử viên đều khá đắt giá.

Những thách thức kĩ thuật lớn thường đòi hỏi sự kiên trì đặc biệt mạnh mẽ và điều này hẳn không sai đối với điện toán lượng tử. Trong 20 năm trở lại đây, chúng ta biết rằng những chiếc máy tính lượng tự có thể - ít nhất là trên lý thuyết – cực kì mạnh mẽ và chỉ mất vài phút để xử lý các vấn đề mà máy tính truyền thống mất nhiều hơn cả… thời gian hình thành vũ trụ để làm xong. Tuy nhiên, những nỗ lực để xây dựng các dòng máy tính lượng tử thực tế còn chưa vươn quá được khỏi vạch xuất phát, con người vẫn ở giai đoạn tìm kiếm những vật liệu tối ưu cho “món mới” này, các ứng cử viên đầu bảng đều khá đắt giá: có mạch siêu dẫn được in từ nhôm và được làm lạnh tới -100 độ C, ion nổi được thiết kế để lơ lửng trên bề mặt chip và tương tác bởi tia laser, các nguyên tử Nitrogen được sắp xếp trong các ma trận… Những giải pháp như thế đã được sử dụng để hiện thực phần nào các ý tưởng hệ thống điện toán lượng tử. Tuy nhiên, ngày nay những thành tố xử lý lượng tử kiểu như vậy đang gặp một đối thủ hùng mạnh và có tiềm năng hơn bao giờ hết: chính là silicon – gương mặt “cũ mà mới”.

So với nhiều loại vật liệu khác, silicon xuất phát chậm hơn đáng kể trong vai trò ứng cử viên đối với công nghệ điện toán lượng tử. Tuy nhiên, những kết quả nghiên cứu gần đây đã đưa nó trở thành lựa chọn đầu bảng. Điển hình là ngay từ năm ngoái, đội nghiên cứu thuộc đại học Simon Fraser (Burnaby, Canada) cùng với nhiều nhà nghiên cứu khác tại trường địa học London đã cho thấy khả năng duy trì trạng thái của bit lượng tử trong silicon ở mức thời gian kỉ lục 39 phút chỉ với nhiệt độ thông thường. Nếu ở nhiệt độ thấp, con số này có thể lên tới 3 tiếng. So với những con số chỉ tính bằng milli giây hoặc ít hơn của những giải pháp điện toán lượng tử khác, mức này dường như là… vĩnh cửu. Nó cũng là độ ổn định vừa đủ mà các nhà khoa học đang tìm kiếm để bắt đầu xây dựng máy tính lượng tử cho nhu cầu phổ thông, quy mô đủ lớn để vượt qua các loại máy tính truyền thống. Trong suốt 50 năm qua, silicon đã cho phép chúng ta có được những bước tiến nhanh và vững vàng trong điện toán truyền thống. Với máy tính lượng tử, cơ hội dành cho silicon lại càng trở nên rộng mở hơn bao giờ hết. Rất có thể, vật liệu này sẽ lại một lần nữa toả sáng.

Trước tiên, cần phải giải nghĩa một câu hỏi: thế nào là máy tính lượng tử? Nói một cách đơn giản, đó là hệ thống có thể lưu trữ và xử lý thông tin dựa trên các nguyên tắc cơ học lượng tử. Như thế, các thành phần tính toán cơ bản – chưa kể tới nguyên tắc vận hành – đã rất khác so với những gì chúng ta có hiện nay. Ví dụ, trong thế giới lượng tử, một đối tượng có thể tồn tại dưới hai trạng thái khác biệt cùng lúc – hiện tượng được biết đến với tên gọi sự xếp chồng (superposition). Như thế, khác với các bit kiểu truyền thống hiện tại, một bit lượng tử (qubit) có thể đặt trong trạng thái phức tạp với giá trị cả 0 và 1 cùng lúc. Chỉ khi đánh giá giá trị của qubit, nó mới bị “ép” phải chọn một trong hai. Từ đó, mỗi khi máy tính lượng tử thực hiện các thao tác logic, nó sẽ thực hiện toàn bộ các phép kết hợp có thể của trạng thái qubit trong cùng một lúc. Cơ chế song song đầy ấn tượng này thường được sử dụng để lý giải cho sự vượt trội về tốc độ của máy tính lượng tử. Tuy nhiên, vấn đề là chúng ta thường chỉ quan tâm tới một tập con của các tính toán này. Việc xác định trạng thái cuối của cơ cấu lượng tử sẽ cho bạn một câu trả lời duy nhất, ở ngẫu nhiên, có thể sẽ không phải là thứ được trông đợi. Như thế, việc tạo ra được những thuật toán lượng tử có thể “né” các kết quả không mong muốn để đưa ra câu trả lời chính xác sẽ là một thách thức lớn.

Hiện tại, D-Wave System (cũng nằm tại Burnaby) là công ty duy nhất đang cung cấp những giải pháp điện toán lượng tử. Cách tiêp cận của D-Wave hơi khác biệt so với những gì các nhà nghiên cứu thường nghĩ khi họ đề cập tới điện toán lượng tử. Bên cạnh đó, nhiều tranh luận về quy luật cơ học lượng tử cũng như tiềm năng của các sản phẩm từ chúng. Mục tiêu mà nhiều bên cùng hướng tới chính là một chiếc máy tính điện toán tổng quát nhất với khả năng chạy mọi thuật toán lượng tử hay truyền thống. Máy tính như vậy có thể sẽ không nhanh hơn máy tính truyền thống nhưng sẽ có những ứng dụng nhất định được xây dựng riêng với hiệu năng đầy ấn tượng. Trong đó, một điểm được các cơ quan tình báo “nhòm ngó” chính là khả năng tính toán cấp số nhân ở quy mô lớn với hiệu năng vượt đáng kể ngay cả khi so với các thuật toán truyền thống mạnh nhất. Điều này sẽ giúp việc giải mật mã trở nên mạnh hơn đáng kể. Ngoài ra, một ứng dụng rất triển vọng khác là giả lập hành vi của các hệ thống cơ học lượng tử như phân tử ở tốc độ cao và độ chính xác lớn. Khả năng này sẽ đem lại lợi ích rất lớn cho việc nghiên cứu các loại thuốc và vật liệu cho tương lai.

Tuy nhiên, để xây dựng được một chiếc máy tính lượng tử có khả năng chạy cả thuật toán lượng tử và thuật toán truyền thống, điều quan trọng đầu tiên là thành phần tính toán cơ bản: bit lượng tử (qubit). Nói một cách cơ bản, gần như mọi đối tượng vận hành theo quy luật vật lý lượng tử đều có thể được đặt vào trạng thái xếp chồng và sử dụng như một qubit. Bên cạnh đó, vì tính chất lượng tử thường chỉ được chứng kiến ở quy mô nhỏ, phần lớn qubit đều là đối tượng rất nhỏ bé ví dụ như electron, hạt nhân nguyên tử đơn lẻ hoặc photon. Như thế, mọi tính chất cần tới hai giá trị như sự phân cực ánh sáng hay sự hiện diện của một electron tại một điểm đều có thể sử dụng để mã hoá thông tin lượng tử. Một trong những lối đi thực tế nhất là mô men xung lượng. Mô men xung lượng khá thú vị khi nó thể hiện góc của một đối tượng – kể cả khi mô men xung lượng vật lý không đang tồn tại – và cũng thể hiện hướng của từ tính nội tại của một vật thể. Ở cả các electron hay hạt nhân nguyên tử, mô men xung lượng có thể được sử dụng để trỏ lên hoặc xuống, thể hiện giá trị 1 hoặc 0 hay thậm chí là tồn tại ở dạng xếp chồng của cả hai trạng thái. Người ta cũng có thể tạo ra qubit ở ở tầm vĩ mô thông qua các kết cấu nhân tạo – dĩ nhiên là nếu làm mát được nó tới điểm đủ cho hành vi lượng tử kích hoạt. Một kết cấu thông dụng là qubit dòng (flux qubit) – được tạo ra bằng một vòng lặp dẫn điện cấu thành từ dây siêu dẫn. Những qubit này, vốn đo bằng micromet, có thể xem là một sự kì lạ về lượng tử: khi trạng thái qubit dòng ở dạng xếp chồng, dòng điện sẽ chạy qua cả hai vòng lặp cùng lúc.

Hệ thống máy tính lượng tử của D-Wave – vốn đã được NASA nghiên cứu sử dụng

D-Wave sử dụng qubit dựa trên các vòng lặp siêu dẫn nhưng chúng được kết nối với nhau và tạo ra một chiếc máy tính vận hành hoàn toàn khác so với khái niệm máy tính lượng tử. Công ty này đã đi theo hướng tiếp cận mà họ gọi là điện toán lượng tử đoạn nhiệt (adiabatic quantum computing). Loại hình này có các qubit được thiết lập ở trạng thái ban đầu sau đó “dãn” ra và chuyển thành dạng tối ưu. Mặc dù hướng đi này có tiềm năng xử lý một số vấn đề tối ưu hoá rất nhanh chóng nhưng máy tính của D-Wave không thể sử dụng để thực hiện các thuật toán tuỳ ý. Bên cạnh đó, cộng đồng điện toán lượng tử cũng đang có rất nhiều tranh cãi về việc những mẫu máy tính của D-Wave có vận hành đúng theo kiểu của cơ cấu lượng tử và liệu nó có đem lại lợi thế nào so với các hệ thống sử dụng thuật toán truyền thống nào hay không.

Mặc dù các hệ thống máy tính lượng tử ở quy mô lớn vẫn là điều xa vời, đã bắt đầu có được những khái niệm đầu tiên về cách thức tạo ra chúng – thậm chí là một vài hướng tiếp cận khác nhau. Trong đó, cách trực tiếp nhất là sử dụng mô hình điện toán vốn được biết đến dưới tên gọi mô hình cổng. Nó sử dụng hàng loạt các cổng khác nhau để kết nối nhóm qubit – điều cho phép chúng tương tác theo mệnh lệnh. Khác với chip truyền thống thường sử dụng mạch logic cố định, các cổng này có thể được thiết lập, tái thiết lập để thay đổi quan hệ giữa các qubit nhằm thực hiện các hoạt động tính toán logic khác nhau. Một vài trong số này như XOR hay NOT là khá quen thuộc nhưng nhiều số khác lại không phải như vậy bởi chúng có thể được thực hiện trong một không gian phức tạp – nơi trạng thái lượng tử xếp chồng có thể liên tục nhận một dải giá trị liên tục. Tuy nhiên, quá trình cơ bản của điện toán lại không quá khác biệt: cổng logic sẽ điều khiển phương thức di chuyển của dữ liệu và trạng thái của qubit sẽ thay đổi khi các chương trình chạy. Kết quả sẽ có thể được thu hồi thông qua việc quan sát hệ thống này.

Mạch siêu dẫn lượng tử với năm qubit Xmon đặt thẳng hàng

Cầu kì hơn, mô hình trạng thái cụm lại có phương thức vận hành hoàn toàn khác biệt. Ở đây, việc tính toán được thực hiện đơn giản bằng việc quan sát đơn thuần. Quy trình này khởi đầu bằng việc làm trói mọi qubit vào với nhau. “Trói” là hiện tượng cơ học lượng tử thể hiện hai hoặc nhiều mảnh nhỏ (ví dụ như electron) chia sẻ chung một trạng thái lượng tử và việc đánh giá một mảnh sẽ ảnh hưởng tới hành vi của “đối tác” của nó. Theo đó, trong mô hình trạng thái cụm, chương trình sẽ chạy thông qua việc đánh giá qubit trong một thứ tự nhất định cùng với hướng nhất định. Một số đánh giá có thể được thực hiện trên mạng lưới các qubit để đề ra quy trình tính toán trong khi số khác sẽ đưa thông tin vào mạng lưới này. Kết quả định ra từ những đánh giá sau đó sẽ được tổng hợp lại để tạo ra câu trả lời cuối cùng.