Đến bao giờ thì chúng ta sẽ có laptop lượng tử?

Máy tính lượng tử đã xuất hiện. nhưng liệu chúng ta có thể chế tạo một máy tính xách tay lượng tử không?

Khoảng 80 năm trước, các nhà khoa học ở Anh, Đức, và Mỹ đã âm thầm nghiên cứu và chế tạo những chiếc máy tính điện tử đầu tiên. Những cỗ máy khổng lồ ấy có kích thước bằng cả một căn phòng, tiêu thụ một lượng năng lượng khổng lồ, nhưng lại mở ra một kỷ nguyên mới với khả năng tính toán chưa từng có.

Tại thời điểm đó, khó ai có thể hình dung rằng, chỉ vài thập kỷ sau, những máy tính mạnh mẽ hơn rất nhiều sẽ nhỏ gọn đến mức có thể nằm gọn trong ba lô. Tuy nhiên, điều này đã xảy ra, và câu hỏi đặt ra hiện tại là liệu một ngày nào đó chúng ta sẽ chứng kiến sự xuất hiện của máy tính xách tay lượng tử hay không.

Tiềm năng và dự đoán tương lai

Trước đây, những cỗ máy tính có kích thước bằng cả một căn phòng.

Nhà nghiên cứu điện toán lượng tử Mario Gely từ Đại học Oxford bày tỏ rằng việc sở hữu một chiếc máy tính xách tay lượng tử là khả thi, dù điều đó vẫn còn mang tính suy đoán cao. Gely khẳng định: "Tôi không thể nghĩ ra lý do cơ bản nào ngăn cản khả năng đó". Nhưng trước khi đến được viễn cảnh đó, các nhà khoa học cần vượt qua một số trở ngại lớn trong việc phát triển công nghệ lượng tử.

Stephen Bartlett, giám đốc Viện Nano tại Đại học Sydney và là nhà vật lý lý thuyết chuyên về lượng tử, tin rằng có thể nhìn thấy máy tính lượng tử thực sự hữu ích trong vòng thập kỷ này. Tuy vậy, ông cũng lưu ý rằng nhiều thách thức khoa học còn mở và chưa được giải quyết. "Con đường này vẫn còn khá mờ mịt, nhưng chúng ta đang tiến đến gần hơn", Bartlett chia sẻ.

Quy mô qubit: Chìa khóa mở ra cánh cửa mới

Trước khi nghĩ đến máy tính xách tay lượng tử, điều đầu tiên cần làm là tạo ra máy tính lượng tử thực sự hữu ích, nghĩa là một thiết bị có khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp mà các siêu máy tính hiện tại không thể xử lý. Thách thức chính nằm ở số lượng qubit – đơn vị cơ bản trong điện toán lượng tử, tương đương với bit kỹ thuật số trong máy tính cổ điển. Hiện tại, số lượng qubit của các hệ thống vẫn còn hạn chế và cần tăng lên nhiều lần để đáp ứng yêu cầu tính toán lượng tử thực sự mạnh mẽ.

Các nhà khoa học đã đạt được những tiến bộ đáng kể, chẳng hạn như kiến trúc thiết bị kết hợp điện tích lượng tử (QCCD). QCCD cho phép phát triển mảng qubit hai chiều, giúp tăng mật độ qubit và mở ra khả năng mở rộng quy mô một cách hiệu quả hơn. Dù vậy, con đường từ các nghiên cứu hiện tại đến một máy tính lượng tử thực sự có khả năng áp dụng vẫn còn dài và đầy thách thức.

Sự cần thiết của những loại qubit khác nhau

Máy tính lượng tử hiện nay như những thiết bị do IBM và Google phát triển, chủ yếu dựa vào qubit siêu dẫn. Tuy nhiên, công nghệ này có hạn chế lớn: qubit siêu dẫn chỉ hoạt động ở nhiệt độ cực thấp, gần như không độ tuyệt đối (khoảng 20 millikelvin). Để duy trì nhiệt độ này, cần phải sử dụng các tủ lạnh pha loãng khổng lồ, chiếm diện tích lớn và tiêu tốn nhiều năng lượng. Mục tiêu của IBM trong lộ trình phát triển máy tính lượng tử bao gồm việc tạo ra máy tính có 2.000 qubit vào năm 2033, nhưng dự kiến thiết bị này sẽ lấp đầy cả một phòng lớn.

Máy tính lượng tử hiện nay như những thiết bị do IBM và Google phát triển.

Do đó, để biến giấc mơ về một chiếc máy tính xách tay lượng tử thành hiện thực, các nhà khoa học cần nghiên cứu các loại qubit khác. Một trong những lựa chọn khả dĩ là qubit ion bị mắc kẹt. Loại qubit này được tạo ra từ các hạt tích điện có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc, được giữ trong trạng thái lơ lửng bằng trường điện từ. Khác với qubit siêu dẫn, các hệ thống qubit ion bị mắc kẹt hoạt động ở nhiệt độ phòng và không yêu cầu các tủ lạnh lớn.

Tuy nhiên, thách thức lớn nhất đối với qubit ion là hệ thống laser đi kèm. Hiện tại, các hệ thống này chiếm không gian lên tới một mét khối. "Nếu chúng ta coi bẫy ion là tương lai, thì chúng ta cần phải làm nhỏ gọn hệ thống laser này", Gely cho biết. Các tia laser không chỉ cần phải nhỏ hơn mà còn cần phải được cải tiến để có thể xử lý số lượng lớn qubit. Các hệ thống hiện nay chỉ có thể kiểm soát tối đa 100 ion, và điều đó chưa đủ để tạo ra máy tính lượng tử hoàn chỉnh với hàng triệu qubit.

Những bước tiến gần đây

Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức, các tiến bộ gần đây đã mở ra nhiều hy vọng. Các kiến trúc QCCD hứa hẹn sẽ giúp tăng mật độ qubit, đồng thời việc giảm kích thước của các thiết bị laser đã có những bước đột phá. Vào tháng Bảy vừa qua, các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford đã phát triển một loại laser titan-sapphire mới, nhỏ hơn 10.000 lần so với những tia laser trước đây. Sự cải tiến này có thể giúp giảm đáng kể kích thước của các hệ thống qubit ion bị mắc kẹt.

Bartlett cũng lạc quan rằng sự thu nhỏ và tối ưu hóa phần cứng không phải là điều không thể. Mặc dù còn nhiều điều chưa rõ, ông tin rằng những thách thức như sửa lỗi và mở rộng số lượng qubit sẽ được khắc phục trong tương lai. Tuy nhiên, câu hỏi lớn hơn là liệu máy tính xách tay lượng tử có thực sự mang lại lợi ích cho người tiêu dùng phổ thông hay không.

 Việc máy tính lượng tử có thể được sử dụng rộng rãi vẫn là một dấu hỏi lớn.

Ứng dụng và viễn cảnh của máy tính xách tay lượng tử

Ngay cả khi các vấn đề kỹ thuật được giải quyết, việc máy tính lượng tử có thể được sử dụng rộng rãi vẫn là một dấu hỏi lớn. Gely đề xuất rằng thay vì hoàn toàn thay thế máy tính cổ điển, máy tính xách tay lượng tử có thể được tích hợp như một bộ xử lý phụ trợ, tương tự như card đồ họa trong máy tính hiện nay. "Nó có thể hữu ích cho một số tác vụ đặc biệt, nhưng không phải cho tất cả mọi việc", ông nói.

Bartlett cũng nhấn mạnh rằng các ứng dụng của máy tính lượng tử có thể sẽ tập trung vào các lĩnh vực như tài chính, bảo mật thông tin, hoặc các ứng dụng thích hợp khác. Tuy nhiên, vẫn chưa ai có thể dự đoán chính xác máy tính lượng tử sẽ thay đổi đời sống hàng ngày như thế nào.