Chip Majorana 1 của Microsoft mở ra con đường mới cho điện toán lượng tử

Công nghệ này tận dụng vật liệu topoconductor đầu tiên trên thế giới, một loại vật liệu đột phá có thể quan sát và kiểm soát các hạt Majorana để tạo ra các qubit đáng tin cậy và có khả năng mở rộng hơn, vốn là nền tảng cho máy tính lượng tử.

Microsoft cho biết, tương tự như cách phát minh ra chất bán dẫn đã tạo ra điện thoại thông minh, máy tính và thiết bị điện tử ngày nay, chất bán dẫn topo và loại chip mới mà chúng tạo ra mở ra con đường phát triển các hệ thống lượng tử có thể mở rộng lên tới một triệu qubit và có khả năng giải quyết những vấn đề công nghiệp và xã hội phức tạp nhất.

Chetan Nayak, cộng sự kỹ thuật của Microsoft cho biết: "Chúng tôi đã lùi lại một bước và nói rằng 'Được rồi, hãy phát minh ra bóng bán dẫn cho kỷ nguyên lượng tử. Nó cần có những đặc tính gì?'" "Và đó thực sự là cách chúng tôi đến được đây - đó là sự kết hợp đặc biệt, chất lượng và các chi tiết quan trọng trong ngăn xếp vật liệu mới của chúng tôi đã tạo ra một loại qubit mới và cuối cùng là toàn bộ kiến ​​trúc của chúng tôi".

Majorana 1. Ảnh của John Brecher chụp cho Microsoft

Kiến trúc mới này được sử dụng để phát triển bộ xử lý Majorana 1 cung cấp một con đường rõ ràng để chứa một triệu qubit trên một con chip duy nhất có thể nằm gọn trong lòng bàn tay, Microsoft cho biết. Đây là ngưỡng cần thiết để máy tính lượng tử cung cấp các giải pháp thực tế, mang tính biến đổi – chẳng hạn như phân hủy vi nhựa thành các sản phẩm phụ vô hại hoặc phát minh ra vật liệu tự phục hồi cho xây dựng, sản xuất hoặc chăm sóc sức khỏe. Tất cả các máy tính hiện tại trên thế giới hoạt động cùng nhau không thể làm được những gì máy tính lượng tử một triệu qubit có thể làm được. 

“Bất cứ điều gì bạn đang làm trong không gian lượng tử đều cần có một con đường dẫn đến một triệu qubit. Nếu không, bạn sẽ gặp phải một bức tường trước khi đạt đến quy mô mà bạn có thể giải quyết các vấn đề thực sự quan trọng thúc đẩy chúng ta”, Nayak nói. “Chúng tôi thực sự đã tìm ra một con đường dẫn đến một triệu”.

Vật liệu topoconductor, hay siêu dẫn topo, là một loại vật liệu đặc biệt có thể tạo ra trạng thái vật chất hoàn toàn mới – không phải rắn, lỏng hay khí mà là trạng thái topo. Điều này được khai thác để tạo ra qubit ổn định hơn, nhanh, nhỏ và có thể được điều khiển kỹ thuật số, mà không cần phải đánh đổi như các giải pháp thay thế hiện tại. Một bài báo mới được công bố hôm thứ Tư trên tạp chí Nature phác thảo cách các nhà nghiên cứu của Microsoft có thể tạo ra các đặc tính lượng tử kỳ lạ của qubit topo và cũng đo lường chúng một cách chính xác, một bước thiết yếu cho điện toán thực tế.

Bước đột phá này đòi hỏi phải phát triển một khối vật liệu hoàn toàn mới làm từ indium arsenide và nhôm, phần lớn trong số đó do Microsoft thiết kế và chế tạo từng nguyên tử một. Microsoft cho biết mục tiêu là tạo ra các hạt lượng tử mới có tên gọi là Majorana và tận dụng các đặc tính độc đáo của chúng để đạt đến chân trời tiếp theo của điện toán lượng tử.  

Lõi Topological đầu tiên trên thế giới cung cấp năng lượng cho Majorana 1 được thiết kế đáng tin cậy, tích hợp khả năng chống lỗi ở cấp độ phần cứng giúp nó ổn định hơn.

Các ứng dụng quan trọng về mặt thương mại cũng sẽ yêu cầu hàng nghìn tỷ phép tính trên một triệu qubit, điều này sẽ là rào cản với các phương pháp hiện tại dựa trên điều khiển tương tự được tinh chỉnh của từng qubit. Phương pháp đo lường mới của nhóm Microsoft cho phép qubit được điều khiển kỹ thuật số, định nghĩa lại và đơn giản hóa đáng kể cách thức hoạt động của máy tính lượng tử.

Tiến trình này xác nhận sự lựa chọn của Microsoft nhiều năm trước khi theo đuổi thiết kế qubit tôpô – một thách thức khoa học và kỹ thuật có rủi ro cao, phần thưởng cao hiện đang được đền đáp. Ngày nay, công ty đã đặt tám qubit tôpô trên một con chip được thiết kế để mở rộng lên một triệu.

Matthias Troyer, cộng sự kỹ thuật của Microsoft cho biết: "Ngay từ đầu, chúng tôi muốn tạo ra một máy tính lượng tử để tác động đến thương mại, không chỉ là tư duy lãnh đạo". "Chúng tôi biết mình cần một qubit mới. Chúng tôi biết mình phải mở rộng quy mô".

Cách tiếp cận đó đã khiến Cơ quan Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến (DARPA), một cơ quan liên bang đầu tư vào các công nghệ đột phá có tầm quan trọng đối với an ninh quốc gia, đưa Microsoft vào một chương trình nghiêm ngặt nhằm đánh giá liệu các công nghệ điện toán lượng tử tiên tiến có thể xây dựng các hệ thống lượng tử có giá trị thương mại nhanh hơn so với suy nghĩ thông thường hay không.  

Microsoft hiện là một trong hai công ty được mời chuyển sang giai đoạn cuối của chương trình Hệ thống chưa được khám phá cho máy tính lượng tử quy mô tiện ích (US2QC) của DARPA - một trong những chương trình tạo nên Sáng kiến ​​đánh giá chuẩn lượng tử lớn hơn của DARPA - nhằm mục đích cung cấp máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi quy mô tiện ích đầu tiên trong ngành hoặc máy tính có giá trị tính toán vượt quá chi phí của nó. 

'Nó chỉ cho bạn câu trả lời'

Ngoài việc sản xuất phần cứng lượng tử của riêng mình, Microsoft đã hợp tác với Quantinuum và Atom Computing để đạt được những đột phá về khoa học và kỹ thuật với qubit hiện nay, bao gồm cả thông báo về máy tính lượng tử đáng tin cậy đầu tiên trong ngành vào năm ngoái .

Những loại máy này cung cấp những cơ hội quan trọng để phát triển các kỹ năng lượng tử , xây dựng các ứng dụng lai và thúc đẩy khám phá mới, đặc biệt là khi AI được kết hợp với các hệ thống lượng tử mới sẽ được cung cấp năng lượng bởi số lượng lớn hơn các qubit đáng tin cậy. Ngày nay, Azure Quantum cung cấp một bộ giải pháp tích hợp cho phép khách hàng tận dụng các nền tảng AI, điện toán hiệu suất cao và lượng tử hàng đầu này trong Azure để thúc đẩy khám phá khoa học.

Nhưng để đạt được chân trời tiếp theo của điện toán lượng tử sẽ cần một kiến ​​trúc lượng tử có thể cung cấp một triệu qubit hoặc hơn và đạt tới hàng nghìn tỷ hoạt động nhanh chóng và đáng tin cậy. Thông báo hôm nay đặt chân trời đó trong vòng vài năm, chứ không phải vài thập kỷ, Microsoft cho biết.

Vì chúng có thể sử dụng cơ học lượng tử để lập bản đồ toán học về cách tự nhiên hoạt động với độ chính xác đáng kinh ngạc – từ các phản ứng hóa học đến tương tác phân tử và năng lượng enzyme – nên các máy tính triệu qubit sẽ có thể giải quyết một số loại vấn đề trong hóa học, khoa học vật liệu và các ngành công nghiệp khác mà máy tính cổ điển ngày nay không thể tính toán chính xác.

• Ví dụ, chúng có thể giúp giải quyết câu hỏi hóa học khó về lý do tại sao vật liệu bị ăn mòn hoặc nứt. Điều này có thể dẫn đến vật liệu tự phục hồi có thể sửa chữa vết nứt trên cầu hoặc các bộ phận máy bay, màn hình điện thoại bị vỡ hoặc cửa xe bị trầy xước.

• Vì có quá nhiều loại nhựa nên hiện tại không thể tìm ra chất xúc tác phù hợp với mọi loại nhựa có thể phân hủy chúng – đặc biệt quan trọng trong việc làm sạch vi nhựa hoặc giải quyết ô nhiễm carbon. Máy tính lượng tử có thể tính toán các đặc tính của chất xúc tác như vậy để phân hủy chất ô nhiễm thành các sản phẩm phụ có giá trị hoặc phát triển các giải pháp thay thế không độc hại ngay từ đầu.

• Enzym, một loại chất xúc tác sinh học, có thể được khai thác hiệu quả hơn trong chăm sóc sức khỏe và nông nghiệp, nhờ vào các tính toán chính xác về hành vi của chúng mà chỉ máy tính lượng tử mới có thể cung cấp. Điều này có thể dẫn đến những đột phá giúp xóa đói giảm nghèo toàn cầu: tăng độ phì nhiêu của đất để tăng năng suất hoặc thúc đẩy tăng trưởng bền vững của thực phẩm trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt.

Trên hết, điện toán lượng tử có thể cho phép các kỹ sư, nhà khoa học, công ty và những người khác chỉ cần thiết kế mọi thứ đúng ngay từ lần đầu tiên – điều này sẽ mang tính chuyển đổi cho mọi thứ, từ chăm sóc sức khỏe đến phát triển sản phẩm. Sức mạnh của điện toán lượng tử, kết hợp với các công cụ AI, sẽ cho phép ai đó mô tả loại vật liệu hoặc phân tử mới mà họ muốn tạo ra bằng ngôn ngữ đơn giản và nhận được câu trả lời có hiệu quả ngay lập tức – không cần phỏng đoán hay nhiều năm thử nghiệm và sai sót.  

"Bất kỳ công ty nào sản xuất bất kỳ thứ gì đều có thể thiết kế hoàn hảo ngay từ lần đầu tiên. Nó sẽ chỉ cho bạn câu trả lời", Troyer nói. "Máy tính lượng tử dạy AI ngôn ngữ của tự nhiên để AI có thể chỉ cho bạn công thức cho thứ bạn muốn làm".

Suy nghĩ lại về máy tính lượng tử ở quy mô lớn

Thế giới lượng tử hoạt động theo các định luật của cơ học lượng tử, không giống với các định luật vật lý chi phối thế giới mà chúng ta thấy. Các hạt được gọi là qubit, hay bit lượng tử, tương tự như bit, hay số một và số không, mà máy tính hiện đang sử dụng.

Qubit rất khó tính và dễ bị nhiễu loạn và lỗi từ môi trường xung quanh, khiến chúng bị hỏng và thông tin bị mất. Trạng thái của chúng cũng có thể bị ảnh hưởng bởi phép đo – một vấn đề vì phép đo là điều cần thiết cho máy tính. Một thách thức cố hữu là phát triển một qubit có thể đo lường và kiểm soát được, đồng thời bảo vệ chúng khỏi tiếng ồn từ môi trường làm hỏng chúng.

Qubit có thể được tạo ra theo nhiều cách khác nhau, mỗi cách đều có ưu điểm và nhược điểm. Gần 20 năm trước, Microsoft đã quyết định theo đuổi một cách tiếp cận độc đáo: phát triển qubit tôpô, mà họ tin rằng sẽ cung cấp qubit ổn định hơn, đòi hỏi ít sửa lỗi hơn, do đó mở khóa các lợi thế về tốc độ, kích thước và khả năng kiểm soát. Cách tiếp cận này đặt ra một đường cong học tập dốc, đòi hỏi những đột phá khoa học và kỹ thuật chưa từng có, nhưng cũng là con đường đầy hứa hẹn nhất để tạo ra qubit có khả năng mở rộng và kiểm soát được, có khả năng thực hiện công việc có giá trị thương mại.'

Nhược điểm là – hoặc đã từng là – cho đến gần đây, các hạt kỳ lạ mà Microsoft muốn sử dụng, được gọi là Majorana, chưa từng được nhìn thấy hoặc tạo ra. Chúng không tồn tại trong tự nhiên và chỉ có thể được tạo ra bằng từ trường và siêu dẫn. Khó khăn trong việc phát triển các vật liệu phù hợp để tạo ra các hạt kỳ lạ và trạng thái vật chất tôpô liên quan của chúng là lý do tại sao hầu hết các nỗ lực lượng tử đều tập trung vào các loại qubit khác.

Bài báo trên tạp chí Nature đánh dấu sự xác nhận được bình duyệt của các chuyên gia rằng Microsoft không chỉ có thể tạo ra các hạt Majorana, giúp bảo vệ thông tin lượng tử khỏi sự nhiễu loạn ngẫu nhiên, mà còn có thể đo thông tin đó từ chúng một cách đáng tin cậy bằng sóng vi ba.

Majorana ẩn thông tin lượng tử, khiến nó mạnh mẽ hơn, nhưng cũng khó đo lường hơn. Phương pháp đo lường mới của nhóm Microsoft chính xác đến mức có thể phát hiện ra sự khác biệt giữa một tỷ và một tỷ và một electron trong một dây siêu dẫn – điều này cho máy tính biết trạng thái của qubit và tạo thành cơ sở cho tính toán lượng tử.

Các phép đo có thể được bật và tắt bằng xung điện áp, giống như bật công tắc đèn, thay vì tinh chỉnh các nút xoay cho từng qubit riêng lẻ. Phương pháp đo lường đơn giản hơn này cho phép điều khiển kỹ thuật số giúp đơn giản hóa quy trình tính toán lượng tử và các yêu cầu vật lý để xây dựng một cỗ máy có khả năng mở rộng.

Qubit tôpô của Microsoft cũng có lợi thế hơn các qubit khác vì kích thước của nó. Ngay cả đối với thứ nhỏ như vậy, vẫn có một vùng "Goldilocks", nơi một qubit quá nhỏ khó có thể chạy các đường điều khiển, nhưng một qubit quá lớn đòi hỏi một cỗ máy khổng lồ, Troyer cho biết. Việc bổ sung công nghệ điều khiển cá nhân hóa cho các loại qubit đó sẽ đòi hỏi phải xây dựng một máy tính không thực tế có kích thước bằng một nhà chứa máy bay hoặc sân bóng đá.

Majorana 1, con chip lượng tử của Microsoft chứa cả qubit cũng như các thiết bị điện tử điều khiển xung quanh, có thể cầm gọn trong lòng bàn tay và lắp vừa vặn vào máy tính lượng tử có thể dễ dàng triển khai bên trong các trung tâm dữ liệu Azure.

Nayak cho biết: "Khám phá ra trạng thái vật chất mới là một chuyện. Nhưng tận dụng nó để suy nghĩ lại về điện toán lượng tử ở quy mô lớn lại là chuyện khác".

Thiết kế vật liệu lượng tử từng nguyên tử một

Kiến trúc qubit tôpô của Microsoft có các nanowires nhôm được nối lại với nhau để tạo thành H. Mỗi H có bốn Majorana có thể điều khiển được và tạo thành một qubit. Các H này cũng có thể được kết nối và được bố trí trên chip như rất nhiều ô.

"Nó phức tạp ở chỗ chúng tôi phải thể hiện trạng thái vật chất mới để đạt được điều đó, nhưng sau đó, nó khá đơn giản. Nó được sắp xếp lại. Bạn có kiến ​​trúc đơn giản hơn nhiều này hứa hẹn một con đường mở rộng quy mô nhanh hơn nhiều", Krysta Svore, cộng sự kỹ thuật của Microsoft cho biết.

Chip lượng tử không hoạt động một mình. Nó tồn tại trong một hệ sinh thái với logic điều khiển, một tủ lạnh pha loãng giữ qubit ở nhiệt độ lạnh hơn nhiều so với không gian bên ngoài và một ngăn xếp phần mềm có thể tích hợp với AI và máy tính cổ điển. Tất cả những bộ phận đó đều tồn tại, được xây dựng hoặc sửa đổi hoàn toàn tại công ty, bà cho biết.

Để rõ ràng hơn, việc tiếp tục tinh chỉnh các quy trình đó và khiến tất cả các yếu tố hoạt động cùng nhau ở quy mô tăng tốc sẽ đòi hỏi nhiều năm làm việc kỹ thuật hơn. Nhưng Microsoft cho biết nhiều thách thức khoa học và kỹ thuật khó khăn hiện đã được giải quyết.

Svore cho biết thêm, việc sắp xếp vật liệu đúng cách để tạo ra trạng thái vật chất tôpô là một trong những phần khó nhất. Thay vì silicon, topoconductor của Microsoft được làm bằng indium arsenide, một vật liệu hiện đang được sử dụng trong các ứng dụng như máy dò hồng ngoại và có các tính chất đặc biệt. Chất bán dẫn được kết hợp với tính siêu dẫn, nhờ vào nhiệt độ cực lạnh, để tạo ra một hỗn hợp.

“Chúng tôi thực sự đang phun từng nguyên tử một. Những vật liệu đó phải xếp hàng hoàn hảo. Nếu có quá nhiều khiếm khuyết trong ngăn xếp vật liệu, nó sẽ giết chết qubit của bạn”, Svore nói.

“Thật trớ trêu, đó cũng là lý do tại sao chúng ta cần một máy tính lượng tử – vì việc hiểu những vật liệu này cực kỳ khó khăn. Với một máy tính lượng tử được thu nhỏ, chúng ta sẽ có thể dự đoán các vật liệu có đặc tính thậm chí còn tốt hơn để xây dựng thế hệ máy tính lượng tử tiếp theo vượt ra ngoài quy mô”, bà nói.