Sự bùng nổ của máy tính lượng tử: Hướng tới Internet lượng tử cho nhân loại

Máy tính lượng tử và tiềm năng của nó đang trở thành một trong những chủ đề nóng hổi trong lĩnh vực công nghệ hiện đại. Với khả năng xử lý thông tin vượt trội so với máy tính cổ điển, máy tính lượng tử hứa hẹn sẽ mở ra những cánh cửa mới cho nhiều lĩnh vực, từ khoa học đến công nghệ thông tin. Tuy nhiên, để hiện thực hóa tiềm năng này, các nhà nghiên cứu đang phải đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt là vấn đề khả năng mở rộng. Việc tăng số lượng qubit – đơn vị thông tin cơ bản trong máy tính lượng tử – một cách ổn định và có thể điều khiển là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất hiện nay.

Để giải quyết vấn đề này, nhiều bộ xử lý lượng tử hiện tại cần được tập trung lại một chỗ, điều này tuy giúp tăng cường khả năng xử lý nhưng lại làm giảm tính thực tiễn và gây khó khăn trong việc triển khai. Để khắc phục điều này, các nhà khoa học đang nghiên cứu một giải pháp có vẻ như chỉ có trong phim khoa học viễn tưởng: kết nối các lõi lượng tử ở khoảng cách xa thông qua hiện tượng được gọi là “lượng tử dịch chuyển”. Điều này không chỉ giúp tạo ra những cỗ máy mạnh mẽ hơn mà còn mở ra con đường cho một hệ thống Internet lượng tử trong tương lai.

Gần đây, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Oxford đã đạt được một bước tiến quan trọng khi thực hiện thành công việc truyền thuật toán lượng tử “không dây” giữa hai bộ xử lý lượng tử. Hai lõi nhỏ này đã tận dụng các đặc tính độc đáo của chúng để kết hợp khả năng, từ đó tạo ra một máy tính siêu mạnh có thể giải quyết những vấn đề mà một lõi đơn lẻ không thể làm được. Nhóm nghiên cứu, do nghiên cứu sinh Dougal Main dẫn dắt, đã thành công trong việc liên kết các hệ thống ở xa và sử dụng hiện tượng vướng víu lượng tử để chia sẻ các cổng logic. Điều này có nghĩa là một cặp hạt ở trạng thái vướng víu có thể truyền thông tin ngay cả khi chúng cách xa nhau.

Thí nghiệm này đã chứng minh rằng việc truyền thông tin giữa các máy tính có thể diễn ra gần như ngay lập tức. Tuy nhiên, điều này không giống như khái niệm dịch chuyển tức thời mà chúng ta thường nghĩ đến. Trong thực tế, các photon vẫn ở cùng một vị trí, nhưng nhờ vào trạng thái vướng víu lượng tử, các máy tính có thể “nhận ra” thông tin của nhau và thực hiện xử lý song song. Theo nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature, sự dịch chuyển lượng tử của thuật toán đã được thực hiện giữa hai photon trong khoảng cách 2 mét, với độ trung thực thông tin đạt 86%. Điều này cho thấy rằng cấu trúc điện toán lượng tử phân tán có thể là một bước tiến quan trọng hướng tới công nghệ quy mô lớn và Internet lượng tử.

Dịch chuyển lượng tử trong môi trường máy tính đã được xác nhận trước đây, nhưng thí nghiệm của Đại học Oxford đã mở ra một hướng đi mới khi sử dụng dịch chuyển lượng tử để tạo ra sự tương tác giữa các lõi ở xa. Dougal Main đã nhấn mạnh rằng: “Với bước đột phá này, chúng ta có thể thực sự ‘liên kết’ nhiều bộ xử lý lượng tử lại với nhau để tạo ra một máy tính lượng tử tích hợp hoàn toàn.” Điều này không chỉ giúp tăng cường khả năng xử lý mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai.

Nếu công nghệ điện toán lượng tử phân tán tiếp tục phát triển, chúng ta có thể chứng kiến sự chuyển mình của những máy tính lượng tử khổng lồ. Khi số lượng máy tính được kết nối thông qua dịch chuyển lượng tử gia tăng, khả năng giải quyết vấn đề về khả năng mở rộng sẽ trở nên khả thi hơn. Hiện tại, một bộ xử lý cơ bản chỉ có thể xử lý khoảng 50 qubit, nhưng để giải quyết những vấn đề phức tạp, cần có khả năng xử lý hàng nghìn, hàng triệu hoặc thậm chí hàng trăm triệu qubit. Ngay cả khi không sử dụng vướng víu lượng tử, máy tính lượng tử đã cho thấy khả năng xử lý mạnh mẽ, có thể giải quyết những bài toán mà trước đây được coi là không thể.

Chẳng hạn, chip lượng tử “Willow” do Google công bố vào tháng 12 năm 2024 đã hoàn thành một tác vụ chuẩn trong vòng 5 phút, trong khi một siêu máy tính thông thường sẽ mất tới 10 lũy thừa 25 năm để đạt được kết quả tương tự. Điều này cho thấy rằng, nếu công nghệ điện toán lượng tử phân tán tiếp tục phát triển, chúng ta sẽ không chỉ có những máy tính lượng tử mạnh mẽ mà còn có thể xây dựng một hệ thống Internet lượng tử thực sự, mở ra một kỷ nguyên mới cho nhân loại.