Trung Quốc vừa tạo ra bước đột phá trong lĩnh vực máy tính lượng tử khi lần đầu tiên chế tạo thành công bộ nhớ RAM lượng tử (QRAM), giải quyết rào cản tồn tại suốt 20 năm qua. Bộ nhớ này được xem là mảnh ghép còn thiếu để máy tính lượng tử có thể ứng dụng vào thực tế, khai thác kho dữ liệu khổng lồ của nhân loại.
Vấn đề nan giải suốt hai thập kỷ
Máy tính lượng tử từ lâu được giới khoa học ca ngợi là cỗ máy có thể thay đổi nền văn minh. Với vài trăm qubit, nó có thể xử lý các phép tính mà siêu máy tính mạnh nhất hiện nay phải mất hàng nghìn năm. Tuy nhiên, suốt gần 20 năm, mọi lời hứa hẹn đều vấp phải một rào cản tưởng chừng nhỏ nhưng không ai giải quyết được: dữ liệu.
Toàn bộ dữ liệu nhân loại tích lũy trong 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 qubit hoàn toàn khác biệt không thể đọc trực tiếp định dạng này. Qubit có thể tồn tại đồng thời ở trạng thái 0 và 1 nhờ tính chồng chất lượng tử, cho phép xử lý song song hàng triệu khả năng, nhưng sự khác biệt căn bản này ngăn cản máy tính lượng tử kết nối với kho dữ liệu nhị phân khổng lồ.
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên lượng tử (QRAM) từ lâu được xác định là mảnh ghép còn thiếu. QRAM đóng vai trò như lớp giao tiếp, chuyển đổi dữ liệu nhị phân cổ điển sang định dạng lượng tử, đồng thời cho phép truy xuất nhiều vị trí bộ nhớ cùng lúc thông qua trạng thái chồng chất. 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 của phần cứng.
RAM lượng tử trở thành hiện thực
Vào tháng 3 năm nay, nhóm nghiên cứu tại Đại học Chiết Giang (Trung Quốc) đã công bố trên tạp chí Nature Physics rằng họ đã thành công. Nhóm do trợ lý giáo sư Lư Lực Cường dẫn đầu đã triển khai kiến trúc QRAM kiểu bucket-brigade (chuyền xô theo dây chuyền) trên bộ xử lý lượng tử siêu dẫn, lần đầu tiên đưa công nghệ từ lý thuyết vào thực nghiệm.
Kiến trúc bucket-brigade hoạt động theo nguyên lý định tuyến dữ liệu qua từng nút mạng lượng tử một cách tuần tự có kiểm soát, giúp giảm sai số tích lũy. Nhóm đã giảm độ phức tạp của mạch hơn 30% so với thiết kế lý thuyết. Họ xây dựng và kiểm chứng hai phiên bản: QRAM 2 lớp đạt độ trung thực truy vấn 0,800 ± 0,026, và QRAM 3 lớp đạt 0,604 ± 0,005. Thực nghiệm chạy thành công 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.
“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,” ông Lư nói với Science and Technology Daily. “Không có QRAM, nhiều ứng dụng mãi chỉ là lý thuyết.”
Mở đường cho ứng dụng thực tế
Đột phá này có hệ quả thực tế trên nhiều lĩnh vực. 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, rút ngắn chu kỳ phát triển thuốc. Trong tài chính, công nghệ này giúp thuật toán lượng tử 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 lớn.
Thành tựu của nhóm Chiết Giang chưa giải quyết mọi thách thức. Prototype hiện tại mới dừng ở mức 8-bit, độ trung thực của hệ thống 3 lớp ở mức 0,604 cho thấy sai số vẫn cần cải thiện trước khi xử lý dữ liệu thực tế quy mô lớn. Tuy nhiên, việc lần đầu chứng minh QRAM hoạt động trong môi trường thực nghiệm đã thay đổi cuộc thảo luận, từ câu hỏi “liệu có làm được không” sang “bao lâu nữa thì hoàn thiện”.
Suốt gần 20 năm, máy tính lượng tử mang sức mạnh chưa từng có nhưng không thể chạm tay vào kho dữ liệu thế giới. Mảnh ghép cuối cùng vừa được đặt vào đúng chỗ.
