Trong nhiều thập kỷ, máy tính lượng tử được giới khoa học ca ngợi như cỗ máy sẽ cách mạng hóa nền văn minh nhân loại. Với vài trăm qubit, nó có thể thực hiện các phép tính mà siêu máy tính mạnh nhất hiện nay phải mất hàng nghìn năm. Tuy nhiên, suốt gần 20 năm, một rào cản tưởng chừng nhỏ nhưng không thể vượt qua đã cản trở mọi tiến bộ: vấn đề dữ liệu.
Toàn bộ dữ liệu nhân loại tích lũy qua nhiều thập kỷ—từ hồ sơ bệnh nhân, giao dịch tài chính đến cơ sở dữ liệu phân tử—đều được lưu trữ ở định dạng nhị phân cổ điển. Máy tính lượng tử, với kiến trúc dựa trên qubit, không thể đọc trực tiếp định dạng này. Khác với bit thông thường chỉ mang giá trị 0 hoặc 1, qubit có thể tồn tại đồng thời ở cả hai trạng thái nhờ tính chồng chất lượng tử, cho phép xử lý song song hàng triệu khả năng. Sự khác biệt kiến trúc căn bản này khiến máy tính lượng tử không thể kết nối trực tiếp với kho dữ liệu nhị phân khổng lồ.
QRAM: Mảnh ghép còn thiếu
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên lượng tử (QRAM) từ lâu được xác định là giải pháp. QRAM đóng vai trò là lớp giao tiếp, chuyển đổi dữ liệu nhị phân cổ điển sang định dạng lượng tử, cho phép truy xuất nhiều vị trí bộ nhớ cùng lúc qua trạng thái chồng chất. Mặc dù lý thuyết về QRAM đã được đề xuất từ gần hai thập kỷ trước, nhưng mọi nỗ lực hiện thực hóa đều thất bại vì độ phức tạp của mạch vượt quá khả năng kiểm soát phần cứng.
Đột phá từ Đại học Chiết Giang
Vào tháng 3 năm nay, nhóm nghiên cứu tại Đại học Chiết Giang (Trung Quốc) do trợ lý giáo sư Lư Lực Cường dẫn đầu đã công bố trên tạp chí Nature Physics rằng họ đã triển khai thành công kiến trúc QRAM kiểu bucket-brigade trên bộ xử lý lượng tử siêu dẫn. Đây là lần đầu tiên trong lịch sử, công nghệ này được đưa từ lý thuyết vào thực nghiệm.
Kiến trúc bucket-brigade (chuyền xô theo dây chuyền) hoạt động bằng cách định tuyến dữ liệu qua từng nút mạng lượng tử một cách tuần tự có kiểm soát, giúp giảm đáng kể sai số tích lũy. Nhóm nghiên cứu đã giảm độ phức tạp của mạch hơn 30% so với các thiết kế lý thuyết trước đó. Họ xây dựng và kiểm chứng hai phiên bản: QRAM 2 lớp đạt độ trung thực truy vấn 0,800 (sai số ± 0,026) và QRAM 3 lớp đạt 0,604 (sai số ± 0,005). Trong thực nghiệm, hệ thống chạy thành công các tác vụ truy vấn dữ liệu 4-bit và 8-bit trong trạng thái chồng chất lượng tử, cho phép truy xuất đồng thời nhiều điểm dữ liệu.
Ông Lư chia sẻ với Science and Technology Daily: "Trong khi các thuật toán lượng tử hiện tại rất ấn tượng về mặt lý thuyết, việc chạy chúng trên máy tính lượng tử thường đòi hỏi khả năng truy cập hiệu quả vào lượng dữ liệu cổ điển khổng lồ. Không có QRAM, nhiều ứng dụng mãi chỉ là lý thuyết."
Ứng dụng thực tế và triển vọng
Đột phá này mở ra nhiều ứng dụng thực tế. Trong nghiên cứu dược phẩm, QRAM cho phép máy tính lượng tử trích xuất đặc điểm cấu trúc phân tử từ cơ sở dữ liệu hóa học chứa hàng trăm triệu mục trong trạng thái chồng chất, rút ngắn chu kỳ phát triển thuốc mới. Trong tài chính, công nghệ này giúp phân tích toàn bộ lịch sử giao dịch để phát hiện gian lận với độ chính xác vượt trội. Với trí tuệ nhân tạo, QRAM mở ra khả năng xử lý ngôn ngữ tự nhiên và nhận dạng hình ảnh ở quy mô mà máy tính cổ điển không thể đạt tới.
Tuy nhiên, prototype hiện tại mới dừng ở mức 8-bit, và độ trung thực của hệ thống 3 lớp (0,604) cho thấy sai số vẫn cần cải thiện trước khi xử lý dữ liệu quy mô lớn. Dù vậy, việc chứng minh QRAM hoạt động trong môi trường thực nghiệm đã thay đổi câu hỏi từ "liệu có làm được không?" thành "bao lâu nữa thì hoàn thiện?".
Suốt gần 20 năm, máy tính lượng tử sở hữu sức mạnh chưa từng có nhưng không thể chạm vào kho dữ liệu thế giới. Mảnh ghép cuối cùng vừa được đặt vào đúng chỗ.
