Cuộc đua nhiều 'số 9': Máy tính lượng tử tăng tốc về đích

Nhưng những bước tiến dồn dập về sửa lỗi, vật liệu qubit và độ chính xác cổng - với chuỗi kỷ lục “nhiều số 9” - đang đẩy lĩnh vực này vào giai đoạn tăng tốc. Khoảng cách giữa lý thuyết và ứng dụng thực tiễn vì thế được rút ngắn nhanh hơn so với dự báo trước đây.

“Vibe shift”: Khi niềm tin quay ngoắt 180 độ

Cách đây không lâu, quan điểm phổ biến trong giới nghiên cứu cho rằng phải mất vài chục năm nữa máy tính lượng tử quy mô lớn mới đạt đủ độ ổn định để xử lý các bài toán thực tế. Những hệ thống có khả năng mô phỏng phản ứng hóa học phức tạp hoặc phân tích các số nguyên tố cực lớn - nền tảng của nhiều phương thức mã hóa hiện nay - vẫn được xem là viễn cảnh xa.

Tuy nhiên, bức tranh đang thay đổi nhanh chóng. Bà Nathalie de Leon - nhà vật lý lượng tử thực nghiệm tại Đại học Princeton (Mỹ), gọi diễn biến này là một “vibe shift” – sự chuyển biến rõ rệt trong tâm thế của cộng đồng khoa học. Theo bà, giới nghiên cứu đang dịch chuyển từ trạng thái hoài nghi sang lạc quan thận trọng về triển vọng công nghệ.

Quan điểm của nhà vật lý lượng tử thực nghiệm tại Đại học Princeton cũng được chia sẻ bởi bà Dorit Aharonov - nhà khoa học máy tính tại Đại học Hebrew (Israel). Bà cho rằng mức độ tin tưởng vào tương lai của tính toán lượng tử hiện cao hơn đáng kể so với trước đây.

“Tôi tin chắc hơn rằng máy tính lượng tử sẽ trở thành hiện thực, và thời điểm đó có thể đến sớm hơn dự đoán”, bà Dorit Aharonov nêu quan điểm, đồng thời khẳng định lĩnh vực này đã bước sang một giai đoạn phát triển mới.

Sự thay đổi không xuất phát từ một tuyên bố đột phá đơn lẻ, mà là kết quả của nhiều tiến bộ song song trong khoảng hai năm trở lại đây. Các nhóm nghiên cứu tại trường đại học và doanh nghiệp - từ start-up đến tập đoàn công nghệ lớn - đều ghi nhận cải thiện rõ rệt về độ ổn định của qubit (đơn vị thông tin cơ bản của máy tính lượng tử), độ chính xác của các cổng lượng tử và hiệu quả thuật toán.

Những mục tiêu từng bị xem là quá tham vọng nay dần được cụ thể hóa bằng các lộ trình kỹ thuật rõ ràng hơn, cho thấy nền tảng công nghệ đang tiến gần hơn tới khả năng ứng dụng thực tiễn.

Nút thắt lớn nhất: Lỗi và sự mong manh của qubit

Máy tính lượng tử vận hành dựa trên qubit - đơn vị thông tin có thể tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái, thay vì chỉ 0 hoặc 1 như bit cổ điển. Một ví dụ điển hình là spin của electron, tính chất lượng tử nội tại có thể hình dung như một “kim nam châm” siêu nhỏ, với định hướng linh hoạt trong không gian.

Nhờ hai hiện tượng đặc trưng là chồng chập và rối lượng tử, hệ thống có khả năng xử lý lượng thông tin vượt xa kiến trúc tính toán truyền thống.

Tuy nhiên, chính sự nhạy cảm của trạng thái lượng tử lại là rào cản lớn nhất. Thông tin trong qubit dễ suy giảm theo thời gian do tác động môi trường – hiện tượng được gọi là mất kết hợp (decoherence). Bên cạnh đó, các thao tác tính toán – tức các cổng lượng tử - cũng có thể phát sinh sai số.

Ngay cả thao tác tưởng như đơn giản như dùng xung điện từ để xoay spin cũng không bao giờ đạt độ chính xác tuyệt đối. Sau mỗi phép đo, trạng thái lượng tử bị sụp đổ, buộc hệ thống phải tái tạo lại từ đầu.

Trong nhiều thập kỷ, hai thách thức này khiến không ít nhà khoa học hoài nghi về khả năng mở rộng máy tính lượng tử lên quy mô thực tiễn. Song khoảng một năm trở lại đây, một số nhóm nghiên cứu lớn đã đưa ra bằng chứng thực nghiệm cho thấy rào cản này có thể được kiểm soát.

Các nhóm thuộc Google Quantum AI, Quantinuum, Đại học Harvard, QuEra và Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc đã triển khai và cải tiến các giao thức sửa lỗi lượng tử. Thay vì lưu trữ thông tin trên một qubit đơn lẻ, họ phân tán dữ liệu trên nhiều qubit vật lý để tạo thành một qubit logic.

Khi phát hiện dấu hiệu suy giảm, hệ thống có thể đo một phần qubit vật lý trong quá trình tính toán và áp dụng bước hiệu chỉnh phù hợp mà không làm sụp đổ toàn bộ trạng thái tính toán.

Từ thập niên 1990, bà Dorit Aharonov và cộng sự đã chứng minh về mặt toán học rằng nếu sai số của mỗi bước xử lý nằm dưới một “ngưỡng lỗi” nhất định, thì lỗi tổng thể có thể được giảm xuống mức tùy ý thông qua lặp lại và sửa lỗi nhiều tầng.

Hiện nay, các nhóm nghiên cứu cho biết họ đã đạt được điều kiện ngưỡng này trong thực nghiệm. Với nhiều nhà vật lý, đây là dấu mốc quan trọng, cho thấy máy tính lượng tử chịu lỗi quy mô lớn đang rời khỏi phạm vi lý thuyết để tiến gần hơn tới hiện thực công nghệ.

Cuộc đua “nhiều số 9” và bài toán giảm chi phí vận hành

Dù sửa lỗi lượng tử được xem là bước ngoặt, cái giá phải trả không hề nhỏ. Các ước tính trước đây cho rằng cần khoảng 1.000 qubit vật lý để tạo ra một qubit logic đủ ổn định cho tính toán chịu lỗi.

Trong khi đó, những hệ thống hiện nay mới đạt quy mô vài nghìn qubit, còn các dự báo ban đầu từng tính tới hàng tỷ qubit nếu muốn thực hiện những nhiệm vụ như phân tích thừa số nguyên tố lớn.

Phân tích thừa số là một cột mốc đặc biệt quan trọng. Nếu xử lý được các số đủ lớn, máy tính lượng tử có thể làm suy yếu nhiều hệ mã hóa Internet phổ biến vốn dựa trên độ khó của bài toán này. Đồng thời, năng lực tính toán đó còn mở ra khả năng mô phỏng vật liệu mới và tối ưu hóa các hệ thống phức tạp trong công nghiệp, tài chính hay logistics.

Tuy nhiên, bức tranh đang thay đổi nhờ cải tiến thuật toán. Ông Craig Gidney, nhà nghiên cứu tại Google, cho biết, số qubit cần thiết cho bài toán phân tích thừa số đã giảm từ khoảng 20 triệu xuống còn gần 1 triệu nhờ thiết kế lại cấu trúc cổng theo kiến trúc ba chiều phức tạp hơn. Theo ông, cách tiếp cận này có thể đã tiệm cận giới hạn tối ưu của kỹ thuật sửa lỗi tiêu chuẩn, dù các phương pháp mới trong tương lai vẫn có thể tiếp tục hạ thấp yêu cầu phần cứng.

Song song đó, nhiều nhóm nghiên cứu tìm cách giảm “chi phí qubit” bằng các mã sửa lỗi hiệu quả hơn. IBM công bố phương án có thể hạ tỷ lệ xuống khoảng 100 qubit vật lý cho mỗi qubit logic.

QuEra thử nghiệm kỹ thuật tận dụng khả năng di chuyển linh hoạt của nguyên tử trung hòa để tạo rối tối ưu hơn. Theo ông Mikhail Lukin, để đạt mức chi phí 100:1, độ chính xác của cổng hai qubit cần tăng từ khoảng 99,5% lên 99,9% – ngưỡng mà ông cho là khả thi trong tương lai gần.

Thực tế, các kỷ lục về độ chính xác đang liên tục được nâng cao. Tháng 6/2025, một nhóm nghiên cứu báo cáo độ chính xác cổng một qubit đạt 99,999985% – tương đương gần bảy chữ số 9.

Ở mảng cổng hai qubit, Oxford Ionics đạt 99,99%, còn Quantum Transistors công bố mức 99,9988%. Tuy vậy, các chuyên gia lưu ý rằng những kết quả này thường được ghi nhận trong điều kiện thí nghiệm tối ưu riêng lẻ; thách thức tiếp theo là tái lập độ chính xác đó ở quy mô hệ thống hoàn chỉnh, nơi hàng nghìn hoặc hàng triệu qubit phải vận hành đồng bộ.

Tủ lạnh siêu lạnh, kỹ nghệ hệ thống và mốc 2035

Một biến số then chốt khác là tuổi thọ qubit - khoảng thời gian trạng thái lượng tử duy trì được trước khi suy giảm. Nhóm của bà Nathalie de Leon đã cải thiện đáng kể thông số này ở qubit siêu dẫn bằng cách thay đổi vật liệu chế tạo, nâng thời gian duy trì từ 0,1 mili giây lên 1,68 mili giây.

Theo bà, các bước tối ưu tiếp theo có thể đưa con số lên 10-15 mili giây. Tuy vậy, bà cũng lưu ý rằng trong hệ lượng tử, việc loại bỏ một nguồn nhiễu đôi khi lại làm lộ ra nguồn nhiễu khác - một thách thức quen thuộc trong kỹ thuật vi mô.

Nếu tuổi thọ đạt khoảng 10 mili giây, chi phí vận hành có thể giảm 2–3 lần. Khi kết hợp với cải tiến thuật toán và độ chính xác cổng, bài toán phân tích thừa số có thể chỉ còn cần 30.000 - 50.000 qubit, quy mô tiệm cận khả năng đặt trong một hệ thống làm lạnh pha loãng (dilution refrigerator) duy nhất, thay vì phải liên kết nhiều thiết bị riêng rẽ. Điều này giúp đơn giản hóa đáng kể kiến trúc hệ thống.

Hiện nay, Google cho biết có thể bố trí khoảng 10.000 qubit trong các tủ lạnh lớn nhất của mình. Tuy nhiên, một trở ngại kỹ thuật lớn là mỗi qubit cần dây kết nối ra thiết bị điện tử ở nhiệt độ phòng.

Nếu các linh kiện điều khiển có thể hoạt động trực tiếp trong môi trường siêu lạnh và tích hợp lên chip lượng tử, hệ thống tương lai có thể mở rộng lên hàng trăm nghìn qubit trong một thiết bị duy nhất.

Dù nhiều tập đoàn công nghệ đặt mục tiêu đạt ứng dụng thực tế trước cuối thập kỷ này, không ít nhà khoa học vẫn kêu gọi thận trọng. Ông Jens Eisert cho rằng vẫn còn những thành phần quan trọng của bài toán chưa được giải quyết triệt để. Ông John Martinis nhấn mạnh thách thức cốt lõi nằm ở kỹ nghệ hệ thống – nơi mọi thành phần phải vận hành đồng bộ, ổn định trong thời gian dài.

Theo ông Chao-Yang Lu thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, mốc đạt tính toán chịu lỗi hoàn chỉnh có thể rơi vào khoảng năm 2035. Tuy nhiên, so với vài năm trước, kịch bản đạt được trong vòng một thập kỷ không còn bị xem là quá lạc quan.