Microsoft 'trình làng' chip lượng tử đột phá

Vào ngày 19/2/2025, Microsoft đã công bố một bước đột phá quan trọng trong lĩnh vực điện toán lượng tử với việc giới thiệu chip Majorana 1, bộ xử lý lượng tử đầu tiên của hãng dựa trên kiến trúc mới. Sau 17 năm nghiên cứu, Microsoft đã phát triển một loại vật liệu mới gọi là "topoconductor", cho phép tạo ra các qubit ổn định bằng cách sử dụng các hạt Majorana. Kiến trúc chip mới này có thể chứa tới một triệu qubit trên một chip duy nhất, mở ra khả năng tính toán mạnh mẽ cho các mô phỏng phức tạp và giải quyết các vấn đề thực tiễn trong các lĩnh vực như y học và khoa học vật liệu.

Tại trung tâm của máy tính lượng tử là các qubit, đơn vị thông tin trong điện toán lượng tử tương tự như bit nhị phân trong máy tính hiện nay. Các "ông lớn" như IBM, Microsoft và công ty Google đã nỗ lực trong nhiều năm để làm cho qubit trở nên đáng tin cậy như các bit nhị phân, vì chúng rất nhạy cảm với nhiễu, dễ dẫn đến lỗi hoặc mất dữ liệu. Majorana 1 có khả năng chứa một triệu qubit trên một chip không lớn hơn nhiều so với CPU trong máy tính để bàn và máy chủ. Thay vì sử dụng electron cho tính toán, chip này sử dụng hạt Majorana, được nhà vật lý lý thuyết Ettore Majorana mô tả vào năm 1937.

Microsoft đã đạt được cột mốc này bằng cách tạo ra cái mà họ gọi là "topoconductor đầu tiên trên thế giới", một loại vật liệu mới không chỉ quan sát mà còn kiểm soát các hạt Majorana để tạo ra các qubit ổn định hơn.

Chip lượng tử Majorana 1. Ảnh: Microsoft

Microsoft đã trình bày chi tiết nghiên cứu của mình trong một bài báo được bình duyệt, công bố trên tạp chí Nature, giải thích cách các nhà nghiên cứu của họ tạo ra qubit tôpô. Chip Majorana 1 của Microsoft sử dụng 8 qubit tôpô, được tạo ra từ sự kết hợp giữa indium arsenide (một chất bán dẫn) và nhôm (một chất siêu dẫn). Công nghệ này được mô tả chi tiết trong một bài báo khoa học đăng trên tạp chí Nature vào tháng 10/2023.

Một chip đơn lẻ với một triệu qubit có thể thực hiện các mô phỏng chính xác hơn và giúp cải thiện hiểu biết về thế giới tự nhiên, mở ra những đột phá trong y học và khoa học vật liệu. Đó là lời hứa của điện toán lượng tử trong nhiều năm qua, và Microsoft tin rằng topoconductor, hay siêu dẫn tôpô là bước đột phá tiếp theo.

Zulfi Alam, Phó Chủ tịch tập đoàn phụ trách mảng lượng tử tại Microsoft, cho biết: “Ban lãnh đạo của chúng tôi đã làm việc trong chương trình này suốt 17 năm qua. Đây là chương trình nghiên cứu lâu đời nhất trong công ty. Sau 17 năm, chúng tôi đang trình diễn những kết quả không chỉ đáng kinh ngạc mà còn thực tế. Chúng sẽ định hình lại cơ bản cách giai đoạn tiếp theo của hành trình lượng tử diễn ra”.

Alam trước đây đã làm việc trên HoloLens và các kỹ thuật chế tạo đã giúp Microsoft tiến tới điện toán lượng tử. Đội ngũ điện toán lượng tử của Microsoft bao gồm các nhà nghiên cứu, nhà khoa học và các thành viên kỹ thuật của Microsoft đã dành nhiều năm cho nỗ lực xây dựng một máy tính lượng tử có thể mở rộng dựa trên qubit tôpô.

Chetan Nayak, thành viên kỹ thuật của Microsoft, chia sẻ với tờ The Verge: "Chúng tôi đã lùi lại một bước và tự hỏi "Được rồi, hãy phát minh ra transistor 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 những chi tiết quan trọng trong ngăn xếp vật liệu mới của chúng tôi đã cho phép tạo ra một loại qubit mới và cuối cùng là toàn bộ kiến trúc của chúng tôi".

Cuộc cách mạng công nghệ mới từ máy tính lượng tử

Máy tính lượng tử được kỳ vọng sẽ thay đổi hoàn toàn cách chúng ta giải quyết các vấn đề phức tạp mà máy tính cổ điển không thể xử lý hiệu quả. Máy tính lượng tử sử dụng qubit (bit lượng tử), có khả năng tồn tại ở cả hai trạng thái cùng một lúc nhờ hiện tượng chồng chập lượng tử. Cho phép chúng thực hiện nhiều phép tính đồng thời, mở ra khả năng giải quyết các bài toán phức tạp trong thời gian ngắn hơn rất nhiều. Ông Jason Zander, Phó Chủ tịch điều hành của Microsoft, chia sẻ với CNBC: "Chúng tôi tin rằng máy tính lượng tử sẽ là chìa khóa để giải quyết những thách thức lớn nhất của nhân loại, từ y học đến biến đổi khí hậu. Majorana 1 là bước đầu tiên trên hành trình dài hướng tới mục tiêu đó".

Khác với các đối thủ như Google và IBM, Microsoft tập trung vào việc phát triển qubit tôpô, một loại qubit được cho là ổn định hơn và ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu lượng tử hơn so với các loại qubit truyền thống. Đây là một yếu tố quan trọng để đạt được độ tin cậy cao trong tính toán lượng tử. "Chúng tôi đang hướng tới mục tiêu đạt được một triệu qubit trên một con chip", ông Zander cho biết thêm. "Để làm được điều đó, chúng ta cần phải vượt qua nhiều thách thức về vật lý và kỹ thuật, và Majorana 1 là bước đầu tiên trên con đường đó".

Bên trong máy tính lượng tử IBM Quantum System One. Ảnh: IBM

Khác với nhiều công ty công nghệ khác phụ thuộc vào các nhà sản xuất chip như Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), Microsoft quyết định tự sản xuất các thành phần của Majorana 1 tại Hoa Kỳ. Không chỉ giúp công ty kiểm soát chặt chẽ hơn quy trình sản xuất mà còn đảm bảo an ninh công nghệ trong bối cảnh cạnh tranh toàn cầu ngày càng gay gắt.

Bên cạnh đó, Microsoft cũng hợp tác chặt chẽ với các phòng thí nghiệm và trường đại học hàng đầu để nghiên cứu và phát triển ứng dụng của Majorana 1. "Chúng tôi tin rằng sự hợp tác giữa các nhà khoa học và kỹ sư là chìa khóa để đẩy nhanh tiến độ trong lĩnh vực này", Phó Chủ tịch điều hành của Microsoft nhấn mạnh.

Tiềm năng và thách thức

Máy tính lượng tử đang nổi lên như một lĩnh vực công nghệ tiên tiến với tiềm năng cách mạng hóa nhiều ngành công nghiệp. Tuy nhiên, song song với những cơ hội hứa hẹn, lĩnh vực này cũng đối mặt với nhiều thách thức đáng kể.

Máy tính lượng tử hoạt động dựa trên qubit, cho phép xử lý đồng thời nhiều trạng thái thông qua hiện tượng chồng chất lượng tử và rối lượng tử. Khả năng này mang lại hiệu suất tính toán vượt trội so với máy tính truyền thống, đặc biệt trong việc giải quyết các bài toán phức tạp. Ví dụ, máy tính lượng tử có thể mô phỏng chính xác cấu trúc phân tử, hỗ trợ phát triển các loại thuốc mới và vật liệu tiên tiến. Trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo (AI), máy tính lượng tử có thể tăng tốc quá trình huấn luyện mô hình và tối ưu hóa thuật toán, cải thiện hiệu suất và khả năng của AI.

Thị trường máy tính lượng tử đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà đầu tư. Cổ phiếu của IonQ, một công ty khởi nghiệp về lượng tử, đã tăng 237% trong năm 2024, trong khi cổ phiếu của Rigetti Computing tăng gần 1.500%. Cả hai công ty này đã tạo ra tổng doanh thu 14,8 triệu USD trong quý 3/2024. Microsoft cũng không đứng ngoài cuộc chơi. Dịch vụ Azure Quantum của công ty cho phép các nhà phát triển thử nghiệm các chương trình và thuật toán lượng tử trên các chip từ IonQ và Rigetti. Jason Zander, Phó Chủ tịch điều hành của Microsoft, cho biết, chip lượng tử của Microsoft có thể sẽ được cung cấp thông qua Azure trước năm 2030.

Ông nhấn mạnh: "Có rất nhiều suy đoán rằng chúng ta còn cách xa điều này hàng thập kỷ, nhưng chúng tôi tin rằng nó chỉ còn nhiều năm nữa thôi".

Mặc dù tiềm năng lớn, việc phát triển và triển khai máy tính lượng tử đối mặt với nhiều thách thức. Trước hết, việc xây dựng và mở rộng quy mô máy tính lượng tử là một nhiệm vụ phức tạp. Máy tính lượng tử yêu cầu môi trường kiểm soát nghiêm ngặt để duy trì trạng thái lượng tử của qubit, và việc duy trì tính ổn định của qubit trong thời gian dài là một thách thức kỹ thuật lớn.

Hơn nữa, chi phí nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này rất cao, đòi hỏi sự đầu tư lớn từ cả khu vực công và tư nhân. Mặc dù có sự quan tâm từ các nhà đầu tư, thị trường máy tính lượng tử vẫn đang trong giai đoạn đầu và chưa có ứng dụng thương mại rộng rãi. Điều này đặt ra câu hỏi về lợi nhuận và thời gian hoàn vốn cho các khoản đầu tư.

Ngoài ra, sự thiếu hụt nhân lực có chuyên môn cao trong lĩnh vực lượng tử cũng là một rào cản. Việc đào tạo các nhà khoa học và kỹ sư với kiến thức sâu về cơ học lượng tử và kỹ thuật máy tính là cần thiết để thúc đẩy sự phát triển của ngành.

Majorana 1 là một bước tiến quan trọng song Microsoft vẫn còn một chặng đường dài phía trước để biến máy tính lượng tử thành một công cụ thương mại hóa rộng rãi. Dẫu vậy, với sự đầu tư mạnh mẽ vào nghiên cứu và phát triển, cùng với chiến lược hợp tác hiệu quả, Microsoft đang từng bước hiện thực hóa tầm nhìn về một tương lai lượng tử.

"Chúng tôi không chỉ xây dựng một con chip", ông Zander kết luận. "Chúng tôi đang xây dựng một tương lai mới cho điện toán".