SÁNG KIẾN ĐIỂM CHUẨN LƯỢNG TỬ

QBI là sáng kiến điểm chuẩn lượng tử của DARPA (thuộc Bộ Quốc phòng Mỹ), ra đời vào tháng 7/2024. DARPA chịu trách nhiệm phát triển các công nghệ tiên tiến cho quân đội, với mục tiêu đảm bảo sự vượt trội về công nghệ quân sự của Mỹ và ngăn chặn những bất ngờ về công nghệ trong tương lai. Mục tiêu của QBI nhằm xác định xem liệu có thể xây dựng máy tính lượng tử hữu ích trong lĩnh vực công nghiệp với một khoảng thời gian ngắn nhất hay không. Cụ thể, QBI được thiết kế các quy trình nghiêm ngặt để xác minh và xác nhận các phương pháp tiếp cận để điện toán lượng tử có thể đạt được hoạt động với quy mô tiện ích.

Gần 20 công ty điện toán lượng tử đã được chọn để bước vào giai đoạn đầu của QBI, trong đó các ứng viên thuyết trình mô tả các khái niệm độc đáo trong vòng một thập kỷ có thể tạo ra máy tính lượng tử hữu ích. Ngoài việc tài trợ cho các ứng viên, QBI sẽ gia tăng giá trị cho các nỗ lực nghiên cứu và triển khai của ứng viên bằng cách cung cấp xác minh và xác nhận khách quan của bên thứ ba về phương hướng phát triển máy tính lượng tử quy mô tiện ích. QBI cũng sẽ truyền đạt hiệu quả các kết quả nghiên cứu và triển khai này cho các tổ chức có liên quan khác của Chính phủ Mỹ.

Các ứng viên của QBI sẽ phải vượt qua ba giai đoạn quan trọng, bao gồm:

Giai đoạn A: Mô tả một khái niệm máy tính lượng tử quy mô tiện ích và xác định phương án hợp lý để hiện thực hóa trong thời gian tới.

Giai đoạn B: Mô tả Kế hoạch Nghiên cứu và Triển khai có khả năng hiện thực hóa máy tính lượng tử quy mô tiện ích, các rủi ro liên quan đến kế hoạch đó, kèm theo là các giải pháp dự kiến để giảm thiểu rủi ro và các nguyên mẫu cần thiết để hạn chế tối đa những rủi ro này.

Giai đoạn C: Làm việc với các cơ quan của chính phủ để xác minh và xác nhận rằng khái niệm máy tính lượng tử quy mô tiện ích của ứng viên có thể được xây dựng cam kết như thiết kế và vận hành như dự định.

QBI không phải là một cuộc cạnh tranh giữa các ứng viên. DARPA quan tâm đến việc theo đuổi tất cả các cách tiếp cận khả thi trong khả năng kinh phí chấp nhận được.

Joe Altepeter, Giám đốc chương trình QBI cho biết: "Chúng tôi đã chọn các công ty này cho Giai đoạn A sau khi xem xét các bản tóm tắt bằng văn bản và các bài thuyết trình trực tiếp trước một nhóm các chuyên gia lượng tử của Mỹ, để xác định xem liệu các khái niệm được đề xuất của họ có thể tiếp cận tiện ích công nghiệp hay không. Đối với các công ty được lựa chọn, bây giờ công việc mới thực sự bắt đầu. Giai đoạn A là một cuộc chạy nước rút kéo dài sáu tháng, trong đó các công ty cung cấp các chi tiết kỹ thuật toàn diện về các khái niệm, nhằm chứng minh có thể hướng đến xây dựng được máy tính lượng tử biến đổi, có khả năng chịu lỗi trong vòng chưa đầy 10 năm".

DARPA CÔNG NHẬN CÁCH TIẾP CẬN CỦA MICROSOFT VÀ CHIP MAJORANA 1

Microsoft xác nhận lộ trình của để xây dựng máy tính lượng tử chịu lỗi

DARPA đã chọn Microsoft là một trong hai công ty tiến tới giai đoạn cuối cùng của chương trình điểm chuẩn nghiêm ngặt của cơ quan này, được gọi là Hệ thống chưa được khám phá cho tính toán lượng tử quy mô tiện ích (US2QC) - một trong những chương trình tạo nên QBI.

Chương trình US2QC và QBI của DARPA đại diện cho một cách tiếp cận nghiêm ngặt để đánh giá các hệ thống lượng tử có thể giải quyết các vấn đề vượt quá khả năng của các máy tính cổ điển. Đến nay, chương trình US2QC đã quy tụ các chuyên gia từ DARPA, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân, Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng Đại học Johns Hopkins, Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge và Trung tâm Nghiên cứu Ames của NASA để xác minh phần cứng lượng tử, phần mềm và các ứng dụng. Trong giai đoạn sau, QBI sẽ thu hút thêm nhiều chuyên gia hơn nữa trong việc thử nghiệm và đánh giá máy tính lượng tử.

DARPA đã chọn Microsoft cho giai đoạn tiếp theo trước khi đánh giá rằng, Microsoft có thể xây dựng được máy tính lượng tử trong một khung thời gian hợp lý. DARPA sau đó đã đánh giá các thiết kế kiến trúc và kế hoạch triển khai kỹ thuật của Microsoft dành cho máy tính lượng tử chịu lỗi.

Microsoft coi sự công nhận này là sự xác nhận lộ trình của để xây dựng máy tính lượng tử chịu lỗi với các qubit cấu trúc liên kết. Với những đánh giá, phân tích cẩn thận, DARPA và Microsoft đã thực hiện một thỏa thuận để tiến tới giai đoạn C của chương trình. Trong giai đoạn này, Microsoft cam kết trong vòng vài năm sẽ xây dựng một nguyên mẫu chịu lỗi dựa trên các qubit topo, được đánh giá là một bước tăng tốc quan trọng hướng tới điện toán lượng tử quy mô tiện ích.

Chip Majorana 1: Mở ra con đường mới cho máy tính lượng tử

Microsoft đã công bố những tiến bộ trên con đường hướng đến xây dựng máy tính lượng tử hữu ích được tóm tắt như sau:

- Majorana 1: Đơn vị xử lý lượng tử (QPU) đầu tiên trên thế giới được cung cấp bởi lõi topological, được thiết kế để mở rộng quy mô lên đến một triệu qubit trên một con chip duy nhất.

- Qubit topological được bảo vệ phần cứng: Kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature, chứng minh khả năng khai thác một loại vật liệu mới và thiết kế một loại qubit hoàn toàn khác có các tính năng như nhỏ gọn, nhanh và được điều khiển bằng kỹ thuật số.

- Lộ trình thiết bị dành cho tính toán lượng tử đáng tin cậy: Microsoft hướng từ các thiết bị đơn qubit đến các mảng qubit cho phép sửa lỗi lượng tử.

- Xây dựng nguyên mẫu chịu lỗi (FTP) đầu tiên trên thế giới dựa trên các qubit topological: Microsoft đang tiến hành xây dựng FTP của máy tính lượng tử có thể mở rộng trong khoảng thời gian chỉ vài năm. Điều này sẽ được hoàn thiện trong giai đoạn cuối cùng chương trình US2QC của DARPA.

Khai thác loại vật liệu mới

Bước đột phá của Microsoft là hãng công nghệ đầu tiên trên thế giới khám phá ra vật liệu topoconductor. Theo đó, topoconductor hay siêu dẫn topological, là một loại vật liệu đặc biệt có thể tạo ra trạng thái vật chất hoàn toàn mới. Sự tiến bộ này bắt nguồn từ những đổi mới của Microsoft trong việc thiết kế và chế tạo các thiết bị xác định cổng kết hợp indi arsenide (chất bán dẫn) và nhôm (chất siêu dẫn). Khi được làm lạnh đến gần độ không tuyệt đối và được điều chỉnh bằng từ trường, các thiết bị này tạo thành các dây nano topological với chế độ Majorana Zero ở hai đầu dây.

Mở khóa lời hứa của lượng tử

Tạo ra máy tính lượng tử triệu qubit không chỉ là một cột mốc quan trọng mà còn là cửa ngõ để giải quyết các vấn đề khó khăn nhất trên thế giới hiện nay. Ngay cả với những siêu máy tính mạnh nhất ngày nay cũng không thể dự đoán chính xác được các quá trình lượng tử xác định các đặc tính của các vật liệu cần thiết trong tương lai. Thế nhưng, điện toán lượng tử ở quy mô này có thể dẫn đến những đổi mới như phát hiện ra vật liệu tự phục hồi giúp sửa chữa các vết nứt trong các công trình xây dựng, phát triển nông nghiệp bền vững với sự khám phá hóa chất an toàn hơn,…

Những ứng dụng quan trọng về mặt thương mại cũng sẽ đòi hỏi hàng nghìn tỷ thao tác trên một triệu qubit, điều này sẽ không khả thi với các phương pháp hiện tại dựa vào điều khiển tương tự tinh chỉnh của từng qubit. Phương pháp đo lường mới của Microsoft cho phép điều khiển qubit kỹ thuật số, định nghĩa lại và đơn giản hóa cách thức hoạt động của máy tính lượng tử.

Tiến bộ này minh chứng cho lựa chọn của Microsoft từ nhiều năm trước khi theo đuổi thiết kế qubit topological - một thách thức khoa học và kỹ thuật đầy rủi ro nhưng có phần thưởng lớn và hiện đang mang lại kết quả. Ngày nay, Microsoft đã đặt tám qubit topological lên một chip được thiết kế để hướng tới mở rộng đến một triệu qubit.

Điện toán lượng tử là lĩnh vực công nghệ kết hợp các ngành khoa học máy tính, toán học và cơ học lượng tử để giải quyết nhiều phép tính phức tạp hơn thông thường. Nền tảng của điện toán lượng tử dựa trên các đơn vị thông tin được gọi là qubit, thay vì các bit nhị phân được sử dụng trong điện toán cổ điển. Qubit rất nhạy cảm và dễ bị ảnh hưởng bởi sự nhiễu loạn và lỗi từ môi trường, khiến chúng tan rã và mất thông tin. Trạng thái của chúng cũng có thể bị ảnh hưởng bởi việc đo lường, điều này rất cần thiết trong quá trình tính toán lượng tử. Thách thức cố hữu là phát triển qubit có thể đo lường và kiểm soát được, trong khi vẫn bảo vệ qubit trước ảnh hưởng nhiễu từ môi trường.

Qubit có thể được tạo ra theo nhiều cách khác nhau, mỗi cách đều có ưu và nhược điểm. Gần 20 năm trước, Microsoft quyết định theo đuổi một hướng đi độc đáo là phát triển qubit topological. Hướng đi này đã được tin rằng sẽ mang lại các qubit ổn định hơn, yêu cầu ít hiệu chỉnh lỗi hơn, qua đó mở ra những ưu điểm về tốc độ, kích thước và khả năng kiểm soát. Hướng tiếp cận này đòi hỏi những đột phá khoa học và kỹ thuật chưa từng có, nhưng cũng là con đường hứa hẹn nhất để tạo ra các qubit có thể mở rộng và kiểm soát được, có khả năng thực hiện các công việc có giá trị thương mại. Khách hàng chưa thể sử dụng chip Majorana 1 thông qua dịch vụ đám mây công cộng Azure, như cách họ có thể thực hiện với chip trí tuệ nhân tạo tùy chỉnh Maia 100 của Microsoft. Điều được hứa hẹn với Majorana 1 sẽ là bước tiến để Microsoft tiếp tục hướng tới mục tiêu đạt một triệu qubit trên một con chip.

Theo Microsoft, máy tính lượng tử chứa một triệu qubit có khả năng tính toán vượt xa tổng công suất tất cả máy tính hiện có trên thế giới cộng lại. Tham vọng của gã khổng lồ công nghệ là xây dựng được ít nhất 1.000 máy tính lượng tử loại này trong tương lai. Thay vì dựa vào Taiwan Semiconductor hoặc các hãng chip khác để chế tạo, Microsoft đang tự sản xuất thành phần của Majorana 1 ngay tại Mỹ.

Microsoft hy vọng sự phát triển của điện toán lượng tử sẽ thúc đẩy mạnh mẽ các công trình khoa học, như là chế tạo các chế phẩm dược mới, sản xuất ra vật liệu tự phục hồi, thúc đẩy tiến bộ trong ngành nông nghiệp và nhiều lĩnh vực khác.