Vật lý Oxford thực hiện dịch chuyển lượng tử giữa hai siêu máy tính

Trong một phòng thí nghiệm tại Đại học Oxford, các nhà khoa học đã đạt được điều từng chỉ có trong khoa học viễn tưởng: họ đã khiến hai máy tính lượng tử riêng biệt hoạt động cùng nhau như một. Thay vì được kết nối bằng dây dẫn, các máy này chia sẻ thông tin qua ánh sáng, hình thành một hệ thống máy tính lượng tử duy nhất.

Thử nghiệm này đánh dấu lần đầu tiên các nhà nghiên cứu mô phỏng thành công toàn bộ thuật toán lượng tử trên hai mô-đun cách xa nhau bằng quy trình gọi là dịch chuyển cổng lượng tử.

Thành tựu này có thể thay đổi cách chúng ta suy nghĩ về điện toán. Thay vì xây dựng những bộ xử lý lượng tử khổng lồ chứa hàng triệu qubit dễ bị nhiễu, các nhà khoa học giờ đây có thể liên kết các đơn vị lượng tử nhỏ hơn, modular, giao tiếp qua các photon—các hạt ánh sáng. Đó là chiến lược giúp hiện thực hóa giấc mơ về máy tính lượng tử có thể mở rộng hơn bao giờ hết.

Dougal Main và Beth Nichol đang làm việc trên máy tính lượng tử phân tán. (CREDIT: John Cairns / Oxford University)

Tại sao việc kết nối máy tính lượng tử lại quan trọng

Máy tính lượng tử khác biệt hoàn toàn so với bất kỳ thiết bị nào bạn từng sử dụng. Thay vì xử lý dữ liệu dưới dạng bit 0 hoặc 1, máy tính lượng tử sử dụng qubit—các hạt có thể tồn tại ở nhiều trạng thái đồng thời. Tính chất lạ thường này cho phép hệ thống lượng tử thực hiện các phép tính phức tạp nhanh hơn máy tính cổ điển rất nhiều. Chúng có thể hỗ trợ thiết kế thuốc mới, phá mã bảo mật, và mô phỏng các hệ vật lý vốn không thể mô phỏng được bằng công nghệ hiện tại.

Tuy nhiên, có một vấn đề: việc kiểm soát số lượng lớn qubit trong cùng một máy vô cùng khó khăn. Càng đóng gói nhiều qubit, ta càng gặp nhiều nhiễu, giao thoa và bất ổn. Dougal Main, một nhà nghiên cứu tại Khoa Vật lý Oxford, tóm tắt đơn giản: “Bằng cách kết nối các mô-đun qua liên kết quang, hệ thống sẽ linh hoạt hơn, cho phép nâng cấp hoặc thay thế từng mô-đun mà không làm gián đoạn toàn bộ kiến trúc.”

Máy tính lượng tử phân tán (DQC) giải quyết vấn đề này bằng cách chia nhỏ công việc cho nhiều bộ xử lý cỡ nhỏ. Mỗi mô-đun xử lý một phần tác vụ, trong khi các photon truyền thông tin lượng tử giữa chúng. Về lý thuyết, không có giới hạn số mô-đun có thể kết nối—mở ra tiềm năng mạng lưới máy tính lượng tử hoạt động đồng thời.

Bên trong thí nghiệm

Trong thiết lập tại Oxford, hai mô-đun lượng tử—được đặt tên là Alice và Bob—cách nhau khoảng hai mét. Mỗi mô-đun chứa hai ion, được giữ cố định bởi trường điện bên trong buồng chân không. Một ion, làm từ stronti (^88Sr⁺), đóng vai trò qubit “mạng” để phát và thu photon. Ion còn lại, làm từ canxi (^43Ca⁺), là qubit “mạch” chịu trách nhiệm lưu trữ và xử lý dữ liệu lượng tử.

Các mô-đun liên kết khi mỗi bên phát ra một photon đi tới thiết bị quang trung tâm gọi là bộ phân tích trạng thái Bell. Cấu hình này tạo ra sự vướng rối giữa hai photon—và thông qua chúng, hai qubit mạng—tạo cầu nối lượng tử giữa các mô-đun. Khi đã vướng rối, phép toán lượng tử gọi là cổng điều khiển-Z (CZ) được dịch chuyển giữa hai qubit mạch.

Không giống truyền dữ liệu truyền thống, không có vật thể nào di chuyển giữa Alice và Bob. Thông tin lượng tử được chia sẻ tức thời qua vướng rối, trong khi liên lạc cổ điển đảm nhận việc phối hợp. Độ trung thực (fidelity) của cổng đạt 86,2%. Đặc biệt hơn, kết nối vướng rối tự thân giữ được độ trung thực gần 97%, cho thấy quy trình rất đáng tin cậy.

Phát triển dựa trên dịch chuyển cổng lượng tử

Chạy một cổng dịch chuyển đơn lẻ là bước khởi đầu, nhưng tính toán thực sự đòi hỏi nhiều chuỗi cổng. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng nhiều vòng dịch chuyển để thực hiện các phép toán phức tạp hơn, bao gồm iSWAP và SWAP. Chúng cho phép các qubit trao đổi trạng thái—tính năng thiết yếu trong những thuật toán quy mô lớn.

Để chứng minh phương pháp có thể xử lý tính toán hoàn chỉnh, nhóm đã chạy thuật toán tìm kiếm Grover, một bài kiểm tra kinh điển giúp tìm mục tiêu trong danh sách không sắp xếp nhanh hơn máy tính cổ điển. Sau hàng trăm lần thử, hai mô-đun liên kết tìm đúng kết quả khoảng 71% số lần—dù chưa hoàn hảo nhưng mang tính đột phá. Đây là lần đầu tiên thuật toán lượng tử phân tán với nhiều cổng dịch chuyển được thực thi trên các mô-đun vật lý tách biệt.

Những lỗi phát sinh

Dù thành công, thí nghiệm vẫn không tránh khỏi sai số. Nhóm đã xác định một số nguồn lỗi, bao gồm sai sót nhỏ trong thao tác cổng cục bộ, thiếu hoàn hảo trong thu photon, và trôi chuẩn dần theo thời gian. Thước đo giữa chừng cũng gây ra sự không nhất quán khi tín hiệu truyền giữa mô-đun.

Tuy nhiên, hiệu suất vẫn vượt kỳ vọng. Các phép toán cục bộ giữ được độ trung thực trên 98%, và các nhà nghiên cứu tin rằng họ có thể cải thiện với hệ thống điều khiển và hiệu chuẩn tốt hơn. Giáo sư David Lucas, điều phối chính dự án, nhận xét: “Thí nghiệm cho thấy xử lý thông tin lượng tử phân tán qua mạng khả thi với công nghệ hiện nay. Mở rộng quy mô vẫn là thách thức, nhưng đây là hướng đi rõ ràng.”

Hướng tới Internet lượng tử

Kết quả của Oxford gợi ý điều còn thú vị hơn cả một siêu máy tính lượng tử lớn: nền tảng cho Internet lượng tử. Trong mạng này, các bộ xử lý lượng tử xa xôi có thể trao đổi thông tin an toàn và tức thời qua vướng rối. Khác với Internet hiện tại phụ thuộc tín hiệu cổ điển dễ bị đánh chặn, dữ liệu lượng tử về bản chất không thể bị giả mạo.

Kiến trúc thí nghiệm còn hỗ trợ hệ thống lai, kết hợp nhiều loại qubit—ion bị kẹt, nguyên tử trung hòa, hoặc qubit kim cương. Vì dựa vào photon để giao tiếp, phương pháp linh hoạt kết nối nhiều công nghệ lượng tử. Với tinh chỉnh thêm, nó có thể nối liền các máy tính lượng tử giữa các thành phố hoặc châu lục qua cáp quang hoặc vệ tinh.

Một tia nhìn về tương lai

Hiện tại, máy tính lượng tử phân tán vẫn đối mặt thách thức: kỹ sư cần giảm nhiễu, cải thiện đồng bộ, và tăng tốc tạo vướng rối. Nhưng mỗi bước tiến đưa công nghệ đến gần ứng dụng thực tiễn. Như Main giải thích, “Bằng cách điều chỉnh kỹ lưỡng tương tác giữa các hệ thống xa, chúng ta có thể thực hiện cổng lượng tử giữa các qubit trên các máy tính khác nhau. Đột phá này cho phép chúng ta kết nối nhiều bộ xử lý thành một thiết bị duy nhất.”

Điều làm nên tính chuyển hóa mạnh mẽ là khả năng mở rộng. Thay vì xây một bộ xử lý lượng tử khổng lồ, các nhà khoa học có thể liên kết các đơn vị chuyên dụng nhỏ hơn—linh hoạt và tiết kiệm hơn. Tương tự siêu máy tính cổ điển được tạo bởi các máy nhỏ hơn kết nối chia sẻ công suất.

Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu

Ý nghĩa vượt ra ngoài phòng thí nghiệm. Máy tính lượng tử phân tán có thể cách mạng hóa truyền thông an toàn, mã hóa dữ liệu và trí tuệ nhân tạo. Mạng lượng tử sẽ cho phép hệ thống liên lạc siêu bảo mật chống xâm nhập. Chúng còn giúp các nhà khoa học mô phỏng phân tử phức tạp để thúc đẩy phát triển thuốc hoặc mô hình hóa thị trường tài chính, khí hậu quy mô lớn.

Theo thời gian, mạng lưới modular các bộ xử lý lượng tử có thể trở thành xương sống của Internet lượng tử toàn cầu—nhanh hơn, an toàn hơn và mạnh mẽ hơn bất cứ công nghệ nào hiện nay.

Nhìn chung, nghiên cứu của Oxford không chỉ chứng minh những gì có thể làm được, mà còn cho thấy tương lai khi nhân loại chia sẻ và tính toán thông tin ở tốc độ ánh sáng.

Góc nhìn cho thị trường Việt Nam

Với tiềm năng xây dựng mạng lượng tử phân tán, Việt Nam có thể hướng tới phát triển cơ sở hạ tầng nghiên cứu quang tử kết nối các trung tâm đầu tư công nghệ như Hà Nội, Đà Nẵng và Thành phố Hồ Chí Minh. Việc tham gia vào các dự án hợp tác quốc tế (EU, Hoa Kỳ, Nhật Bản) về Internet lượng tử giúp nâng cao năng lực chuyên môn của đội ngũ nghiên cứu, đồng thời thu hút đầu tư cho các phòng thí nghiệm quang tử tiên tiến. Hệ thống modular và phướng pháp dịch chuyển cổng lượng tử còn mở ra cơ hội phát triển giải pháp mã hóa siêu bảo mật trong ngân hàng, y tế, và chính phủ số, góp phần bảo vệ dữ liệu người dùng trước nguy cơ tấn công mạng ngày càng tinh vi. Sự phối hợp giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp khởi nghiệp Việt Nam trong lĩnh vực lượng tử sẽ thúc đẩy đổi mới sáng tạo, hình thành chuỗi cung ứng thiết bị quang tử, và đào tạo nhân lực chất lượng cao cho tương lai.