Trung Quốc xây dựng máy tính lượng tử nhanh nhất thế giới

Một phần hình ảnh siêu máy tính lượng tử Jiuzhang 4.0. Ảnh: ZHOU MU/XINHUA.

Một nhóm các nhà khoa học Trung Quốc vừa công bố đã phát triển thành công nguyên mẫu máy tính lượng tử nhanh nhất thế giới, mang tên Jiuzhang 4.0. Hệ thống này có khả năng xử lý các bài toán toán học phức tạp trong thời gian chỉ tính bằng micro giây - nhanh đến mức vượt xa mọi siêu máy tính hiện nay, thậm chí những bài toán tương tự được cho là cần thời gian dài hơn cả tuổi của vũ trụ để giải bằng phương pháp truyền thống.

Công trình được công bố trên tạp chí Nature đã lập tức thu hút sự chú ý của cộng đồng khoa học quốc tế, khi tiếp tục nâng chuẩn “ưu thế lượng tử” lên một cấp độ mới, đồng thời củng cố vị thế dẫn đầu của Trung Quốc trong lĩnh vực điện toán lượng tử quang tử.

Theo nhóm nghiên cứu, thành tựu này không chỉ là một bước tiến về tốc độ tính toán, mà còn thể hiện sự trưởng thành của kiến trúc máy tính lượng tử quang tử - một trong những hướng tiếp cận được đánh giá giàu tiềm năng nhất hiện nay.

BƯỚC NHẢY VỌT TỪ JIUZHANG 3.0 ĐẾN JIUZHANG 4.0

Máy tính lượng tử hoạt động dựa trên các quy luật của cơ học lượng tử, trong đó đơn vị thông tin cơ bản là qubit. Khác với bit truyền thống chỉ có thể mang giá trị 0 hoặc 1, qubit có thể tồn tại đồng thời ở trạng thái chồng chập của cả hai, cho phép xử lý song song nhiều không gian tính toán.

Chính đặc tính này tạo ra khả năng tăng tốc theo cấp số nhân đối với một số loại bài toán nhất định như phân tích tổ hợp, mô phỏng hệ lượng tử hoặc tối ưu hóa phức tạp.

Điểm then chốt của công nghệ này nằm ở khả năng kiểm soát photon trong mạng lưới quang học. Tuy nhiên, đây cũng là thách thức lớn nhất: hiện tượng mất photon trong quá trình truyền dẫn và giao thoa luôn gây ra sai số nghiêm trọng, đặc biệt khi hệ thống mở rộng quy mô.

Nếu như phiên bản Jiuzhang 3.0 (2023) từng đạt kỷ lục với 255 photon, thì Jiuzhang 4.0 đã nâng con số này lên tới 3.050 photon - một bước nhảy vọt mang tính đột phá về cả quy mô lẫn độ phức tạp hệ thống.

KIẾN TRÚC QUANG TỬ MỚI VÀ BÀI TOÁN KIỂM SOÁT PHOTON

Theo công bố của nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC), đột phá của Jiuzhang 4.0 đến từ hai công nghệ cốt lõi: nguồn sáng dao động tham số quang hiệu suất cao và kiến trúc giao thoa mã hóa hỗn hợp không-thời gian.

Hệ thống đã tích hợp 1.024 trường quang trạng thái nén hiệu suất cao vào một mạch giao thoa gồm 8.176 chế độ hoạt động. Kết quả đạt được là hiệu suất nguồn lên tới 92% và hiệu suất toàn hệ thống đạt 51% - những con số được đánh giá là rất cao trong lĩnh vực điện toán lượng tử quang tử vốn thường bị hạn chế bởi tổn hao tín hiệu.

Một trong những điểm đột phá quan trọng của kiến trúc mới là khả năng mã hóa hỗn hợp không-thời gian (spatiotemporal hybrid encoding). Thay vì chỉ xử lý thông tin trong không gian vật lý như các hệ thống truyền thống, Jiuzhang 4.0 cho phép photon tương tác đồng thời theo cả chiều không gian và thời gian.

Điều này giúp mở rộng đáng kể khả năng kết nối giữa các trạng thái lượng tử, đồng thời giảm yêu cầu về kích thước vật lý của thiết bị - một yếu tố then chốt để tiến tới các hệ thống quy mô lớn hơn trong tương lai.

Các nhà khoa học cho biết, bài toán lớn nhất trong phát triển máy tính lượng tử quang tử là hiện tượng “mất photon” - khi các hạt ánh sáng bị thất thoát trong quá trình truyền qua mạng lưới quang học. Khi hệ thống càng mở rộng, khả năng mất photon càng tăng, làm suy giảm độ chính xác tính toán.

Việc đạt được hiệu suất hệ thống 51% trong một cấu trúc phức tạp như Jiuzhang 4.0 được xem là bước tiến quan trọng hướng tới các bộ xử lý lượng tử quang tử có khả năng chịu lỗi (fault-tolerant quantum processors).

Ý NGHĨA CHIẾN LƯỢC VÀ CUỘC ĐUA ĐIỆN TOÁN LƯỢNG TỬ TOÀN CẦU

Thành công của Jiuzhang 4.0 không chỉ mang ý nghĩa khoa học thuần túy mà còn có giá trị chiến lược trong cuộc đua công nghệ toàn cầu. Điện toán lượng tử hiện được xem là một trong những trụ cột công nghệ tương lai, có khả năng thay đổi căn bản các lĩnh vực như mật mã, trí tuệ nhân tạo, mô phỏng vật liệu và thiết kế dược phẩm.

Theo các nhà nghiên cứu, việc Trung Quốc liên tục cải tiến dòng Jiuzhang từ 76 photon (năm 2020) lên hơn 3.000 photon trong vòng vài năm cho thấy tốc độ phát triển rất nhanh trong lĩnh vực quang tử lượng tử.

Trong khi đó, các quốc gia khác như Mỹ và châu Âu cũng đang đẩy mạnh đầu tư vào nhiều hướng công nghệ khác nhau, bao gồm siêu dẫn và bẫy ion. Tuy nhiên, mỗi công nghệ đều có ưu và nhược điểm riêng, và chưa có nền tảng nào đạt được khả năng mở rộng ổn định ở quy mô lớn.

Việc Jiuzhang 4.0 được công bố cũng trùng thời điểm Trung Quốc đưa công nghệ lượng tử vào Kế hoạch 5 năm lần thứ 15 (2026-2030), trong đó nhấn mạnh phát triển các công nghệ nền tảng, tăng cường nghiên cứu lý thuyết và thúc đẩy ứng dụng công nghiệp.

Mục tiêu dài hạn là phát triển các hệ thống máy tính lượng tử phổ quát có khả năng chịu lỗi, cũng như các hệ thống chuyên dụng có thể mở rộng quy mô lớn, phục vụ các bài toán thực tiễn trong khoa học và công nghiệp.

Trong bối cảnh đó, Jiuzhang 4.0 được xem như một bước tiến quan trọng, không chỉ về mặt công nghệ mà còn về khả năng định hình lại cán cân cạnh tranh trong lĩnh vực điện toán thế hệ mới.

Dù vậy, giới khoa học cũng cho rằng vẫn còn một chặng đường dài trước khi máy tính lượng tử có thể được thương mại hóa rộng rãi hoặc ứng dụng phổ biến ngoài phòng thí nghiệm. Các thách thức về độ ổn định, khả năng sửa lỗi và chi phí vận hành vẫn là những rào cản lớn cần vượt qua.

Tuy nhiên, với tốc độ phát triển hiện tại, Jiuzhang 4.0 đang cho thấy một viễn cảnh rõ ràng hơn về tương lai của điện toán lượng tử - nơi các bài toán tưởng chừng không thể giải trong thực tế có thể được xử lý chỉ trong khoảnh khắc.