Microsoft vừa giới thiệu chip tính toán lượng tử mới, Majorana 1, mang đến một bộ xử lý lượng tử ổn định hơn, có thể thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của các máy tính lượng tử thương mại trên toàn thế giới. Cuộc đua xây dựng máy tính lượng tử thực dụng đang nóng lên khi các “ông lớn” công nghệ nỗ lực vượt qua những thách thức cốt lõi trong vật lý lượng tử.

Những cỗ máy này được kỳ vọng sẽ giải quyết các bài toán phức tạp trong hóa học, khoa học vật liệu và phát triển thuốc – những lĩnh vực mà máy tính cổ điển vẫn chưa thể chạm tới. Dù vậy, các công ty dẫn đầu như Google và IBM đã đạt được nhiều tiến bộ với mạch siêu dẫn tạo bit lượng tử và hệ thống ion bị mắc kẹt, nhưng họ vẫn đối mặt với vấn đề về độ ổn định và khả năng mở rộng, hạn chế ứng dụng thực tế.

Giờ đây, Microsoft tiến thêm một bước trong hành trình phát triển lượng tử với bộ xử lý mới, được công ty tuyên bố là bước ngoặt trong việc xây dựng máy tính lượng tử quy mô lớn, nhờ một cách tiếp cận kỹ thuật hoàn toàn khác biệt.

Đột phá Majorana: Sức mạnh từ vật liệu mới
Chip Majorana 1 của Microsoft sử dụng kiến trúc Topological Core, được cho là sẽ giúp máy tính lượng tử xử lý các vấn đề công nghiệp phức tạp trong vài năm thay vì vài thập kỷ như dự đoán trước đây. “Chúng tôi tin rằng bước đột phá này sẽ cho phép tạo ra một máy tính lượng tử thực sự ý nghĩa, không phải trong hàng chục năm mà chỉ vài năm tới,” CEO Satya Nadella chia sẻ.

Trái tim của bộ xử lý là vật liệu topoconductor, cho phép quan sát và kiểm soát các hạt lượng tử Majorana, từ đó tạo ra các bit lượng tử (qubit) ổn định hơn – nền tảng cốt lõi của máy tính lượng tử. “Chúng tôi đã quay lại điểm xuất phát và tự hỏi: ‘Hãy phát minh ra bóng bán dẫn cho kỷ nguyên lượng tử. Nó cần những đặc tính gì?’” Chetan Nayak, Kỹ sư Kỹ thuật của Microsoft, giải thích. “Kết quả là sự kết hợp độc đáo, chất lượng và chi tiết trong ngăn xếp vật liệu mới đã tạo nên một loại qubit mới cùng toàn bộ kiến trúc của chúng tôi.”

Microsoft cho biết kiến trúc này mở ra con đường tích hợp 1 triệu qubit trên một con chip duy nhất – ngưỡng cần thiết để máy tính lượng tử giải quyết các vấn đề như phân hủy nhựa vi mô hay phát triển vật liệu tự phục hồi. “Sau gần 20 năm nghiên cứu, chúng tôi đã tạo ra một trạng thái vật chất hoàn toàn mới, nhờ lớp vật liệu topoconductor, đánh dấu bước nhảy vọt trong tính toán,” Satya Nadella nhấn mạnh.

Sức mạnh của qubit: Thách thức và cơ hội
Thế giới lượng tử tuân theo các quy luật vật lý khác biệt so với thế giới hữu hình. Qubit rất nhạy với nhiễu loạn môi trường và phép đo, dễ gây mất thông tin. Thách thức nằm ở việc phát triển qubit vừa có thể đo lường, kiểm soát, vừa được bảo vệ khỏi tác động bên ngoài.

Microsoft đã chọn hướng đi với qubit tô-pô từ gần 20 năm trước, tin rằng chúng sẽ ổn định hơn và ít cần sửa lỗi. Cách tiếp cận này đòi hỏi tạo ra hạt Majorana – vốn không tồn tại trong tự nhiên và chỉ có thể được sinh ra bằng từ trường cùng chất siêu dẫn. “Qubit từ topoconductor nhanh hơn, đáng tin cậy hơn và nhỏ hơn, chỉ 1/100 mm. Chúng tôi giờ đã có lộ trình rõ ràng cho bộ xử lý triệu qubit,” Satya nói. “Hãy tưởng tượng một con chip nằm gọn trong lòng bàn tay nhưng có thể giải quyết những bài toán mà tất cả máy tính trên Trái Đất hiện nay gộp lại cũng không làm nổi!”

DARPA đặt niềm tin vào Microsoft
Cơ quan Nghiên cứu Dự án Quốc phòng Tiên tiến Hoa Kỳ (DARPA) – đơn vị đầu tư vào công nghệ liên quan đến an ninh quốc gia – đã chọn Microsoft là một trong hai công ty tiến vào giai đoạn cuối của chương trình Hệ thống Chưa Được Khai thác cho Tính toán Lượng tử Quy mô Lớn. Đây là một phần trong Sáng kiến Đánh giá Lượng tử của DARPA, nhằm tạo ra máy tính lượng tử chịu lỗi với giá trị tính toán vượt chi phí.

Microsoft phát triển chip này cùng các đối tác như Quantinuum và Atom Computing, kết hợp với nền tảng Azure Quantum, mang đến giải pháp tích hợp giữa AI, tính toán hiệu năng cao và hệ thống lượng tử.

Hành trình tạo nên Majorana 1
Vật liệu topoconductor tạo ra trạng thái lượng tử sản sinh qubit ổn định, có thể điều khiển bằng kỹ thuật số. Đột phá này đòi hỏi phát triển ngăn xếp vật liệu từ indium arsenide và nhôm, được Microsoft thiết kế ở cấp độ nguyên tử để tạo hạt Majorana và tận dụng đặc tính của chúng cho tính toán lượng tử.

Kết quả là chip Majorana 1 tích hợp khả năng chống lỗi ngay từ phần cứng, với thiết kế cho phép điều khiển qubit bằng kỹ thuật số, đơn giản hóa hoạt động lượng tử. “Chúng tôi muốn tạo máy tính lượng tử vì tác động thương mại, không chỉ để dẫn đầu về tư duy,” Matthias Troyer, Phó Chủ tịch Microsoft Quantum, khẳng định. “Chúng tôi biết cần một qubit mới và phải mở rộng quy mô.”

Phương pháp đo lường của chip có thể phát hiện sự khác biệt giữa 1 tỷ và 1 tỷ lẻ 1 electron trong dây siêu dẫn để xác định trạng thái qubit, dùng xung điện áp thay vì điều chỉnh từng qubit. Kiến trúc sử dụng dây nano nhôm hình chữ H, mỗi chữ H chứa 4 hạt Majorana tạo thành một qubit, có thể kết nối trên toàn chip.

Thách thức của Majorana 1
Toàn bộ chip, bao gồm điện tử điều khiển, nhỏ gọn trong lòng bàn tay và sẵn sàng triển khai tại các trung tâm dữ liệu Azure. “Khám phá trạng thái vật chất mới là một chuyện, tận dụng nó để tái định hình tính toán lượng tử quy mô lớn là chuyện khác,” Nayak nhận định.

Tuy nhiên, việc phát triển vật liệu gặp không ít khó khăn. “Chúng tôi phun từng nguyên tử một. Vật liệu phải căn chỉnh hoàn hảo. Chỉ cần quá nhiều khuyết tật, qubit sẽ bị hủy,” Krysta Svore, Kỹ sư Kỹ thuật của Microsoft, cho biết. “Điều trớ trêu là chúng tôi cần máy tính lượng tử để hiểu rõ hơn về chính những vật liệu này. Với máy tính lượng tử quy mô lớn, chúng tôi sẽ dự đoán được vật liệu tốt hơn cho thế hệ tiếp theo.”

Tóm lại, Satya Nadella kết luận: “Chúng ta từng học rằng vật chất có ba trạng thái chính: rắn, lỏng, khí. Hôm nay, điều đó đã thay đổi.”