Ngày 19/2, Microsoft chính thức công bố chip lượng tử đầu tiên của mình, mang tên Majorana 1, đánh dấu một cột mốc quan trọng trong hành trình phát triển công nghệ điện toán lượng tử.
Loại chip này được phát triển dựa trên cấu trúc Topological Core đột phá, sử dụng một loại vật liệu mới gọi là "topoconductor" – được Microsoft mô tả là một trạng thái vật chất hoàn toàn mới, không phải rắn, lỏng hay khí.
Đây không chỉ là thành tựu khoa học đáng kinh ngạc mà còn mở ra cánh cửa cho những máy tính lượng tử mạnh mẽ, có khả năng giải quyết các bài toán "bất khả thi" với công nghệ hiện tại.
Xoay chuyển định nghĩa về vật chất
Ai cũng biết 3 trạng thái cơ bản của vật chất là thể rắn, lỏng, khí. Thế nhưng, Microsoft đã phá vỡ định kiến này bằng cách tạo ra topoconductor — một dạng tồn tại vật lý mới, nơi các hạt hạ nguyên tử hoạt động theo cách chưa từng được quan sát trước đây. Trạng thái này là nền tảng cho các topological qubit - đơn vị xử lý cốt lõi trong chip Majorana 1.
Khác với qubit truyền thống, vốn dễ mất thông tin do nhiễu loạn môi trường hoặc khi đo đạc, topological qubit được bảo vệ bởi các hạt Majorana fermion - một loại hạt lượng tử kỳ bí, tồn tại ở ranh giới giữa vật chất và phản vật chất. Nhờ cấu trúc đặc biệt này, thông tin lượng tử trong chip Majorana 1 ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu loạn từ bên ngoài, giảm đáng kể tỷ lệ mắc lỗi và tăng độ ổn định.
"Topological qubit không dễ “sụp đổ” như các phiên bản khác. Đây chính là chìa khóa để xây dựng những máy tính lượng tử đáng tin cậy, có thể mở rộng quy mô", Chetan Nayak, kỹ sư trưởng của dự án Majorana 1, chia sẻ với báo New York Times.
Để hiện thực hóa công nghệ này, Microsoft đã kết hợp indium arsenide (một chất bán dẫn) và nhôm (trở thành chất siêu dẫn ở nhiệt độ thấp). Khi được làm lạnh xuống khoảng -240°C, hỗn hợp này tạo ra các hành vi lượng tử kỳ lạ, cho phép các qubit tồn tại ở nhiều trạng thái cùng lúc. Quá trình chế tạo này đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối, trong đó từng nguyên tử được đặt thẳng hàng bằng công nghệ phun chùm tia phân tử (molecular beam epitaxy) - một thành tựu kỹ thuật khiến nhiều chuyên gia kinh ngạc.
Lối đi riêng của Microsoft
Trong khi các “ông lớn” công nghệ khác như Google sử dụng chất siêu dẫn để tạo qubit còn IBM thì đầu tư vào các kiến trúc lượng tử "cổ điển", Microsoft lại chọn lối đi riêng: tích hợp chất bán dẫn vào hệ thống lượng tử.
Chiến lược này bắt nguồn từ ý tưởng của nhà vật lý Alexei Kitaev vào năm 1997, khi ông đề xuất sử dụng các hạt Majorana để xây dựng topological qubit siêu ổn định. Tuy nhiên, phải đến năm 2024, Microsoft mới chứng minh được tính khả thi của lý thuyết này thông qua các thí nghiệm tại phòng nghiên cứu ở thành phố Redmond, bang Washington (Mỹ), tạo nên bước ngoặt cho sự ra đời chip Majorana 1.
Dù hiện tại loại chip này chỉ có 8 topological qubit, Microsoft vẫn tự tin rằng Majorana 1 là bước đệm để đạt được mục tiêu đầy tham vọng: 1 triệu qubit trong một chip nhỏ gọn. Không giống các đối thủ dự đoán cần vài thập kỷ để mở rộng quy mô, "ông lớn" công nghệ này tuyên bố họ có thể đạt được điều này "trong vài năm".
"Đây là dự án dài hơi nhất trong lịch sử công ty, được khởi xướng từ thời Bill Gates, tiếp nối qua Steve Ballmer, và nay chúng tôi bắt đầu thấy kết quả. Cả 3 đời CEO đều đặt niềm tin vào tiềm năng của nó", Satya Nadella, Giám đốc điều hành đương nhiệm của Microsoft, nhấn mạnh.
Tuy nhiên, không phải ai cũng lạc quan. Jason Alicea - giáo sư vật lý tại Viện công nghệ California (Mỹ), bày tỏ nghi ngờ: “Topological qubit nghe như một giải pháp lý tưởng, nhưng chúng ta cần bằng chứng thực nghiệm rõ ràng hơn về sự tồn tại và hoạt động của hạt Majorana trong hệ thống này. Nếu không, mọi tính toán đều có thể chỉ là ảo tưởng”.
Bất chấp những hoài nghi, Microsoft vẫn nhận được sự ủng hộ từ giới khoa học. Philip Kim, giáo sư Đại học Harvard (Mỹ), nhận định: "Nếu thành công, công nghệ này sẽ cách mạng hóa ngành điện toán". Thậm chí, Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng Mỹ (DARPA) đã chọn phương pháp của Microsoft là một trong 2 hướng tiếp cận chính cho chương trình lượng tử 2033.
Giải pháp lượng tử cho nhân loại
Sức mạnh của máy tính lượng tử không chỉ nằm ở tốc độ vượt trội, mà còn ở khả năng giải quyết những vấn đề phức tạp nhất của nhân loại, theo tầm nhìn của Microsoft với chip Majorana 1.
Trong lĩnh vực y tế, công nghệ này hứa hẹn thiết kế các phân tử thuốc mới với độ chính xác chưa từng có, rút ngắn thời gian nghiên cứu từ hàng thập kỷ xuống chỉ vài ngày, thậm chí hỗ trợ phát triển các phương pháp điều trị cá nhân hóa dựa trên dữ liệu di truyền.
Về môi trường, Microsoft kỳ vọng Majorana 1 sẽ giúp phân hủy vi nhựa thành các chất vô hại, đồng thời tạo ra những vật liệu tự phục hồi có thể ứng dụng trong xây dựng bền vững hoặc bảo vệ hệ sinh thái.
Trong an ninh, sức mạnh tính toán của nó có thể phá vỡ các hệ thống mã hóa hiện tại như RSA hay AES trong vài phút, buộc thế giới phải phát triển các chuẩn bảo mật lượng tử hoàn toàn mới.
Ngoài ra, trong logistics, các thuật toán lượng tử tối ưu hóa chuỗi cung ứng toàn cầu có thể giảm chi phí vận chuyển và khí thải carbon xuống mức chưa từng thấy, đáp ứng nhu cầu của một thế giới ngày càng kết nối.
Jason Zander, Phó Chủ tịch phụ trách mảng Azure Quantum tại Microsoft, chia sẻ thêm: "Máy tính lượng tử không chỉ giải quyết vấn đề, mà còn có thể đào tạo AI để phát minh ra những thứ chưa từng tồn tại – từ vật liệu siêu nhẹ cho ngành hàng không vũ trụ đến các hợp chất hóa học chưa được khám phá".
Dù đạt được bước tiến quan trọng với chip Majorana 1, Microsoft thừa nhận công nghệ này vẫn đối mặt với nhiều hạn chế. Do chỉ đạt 8 topological qubit, hiệu suất tính toán của nó vẫn bị giới hạn bởi các lỗi lượng tử (quantum noise) dù ở mức thấp hơn so với các hệ thống truyền thống.
"Chúng tôi chưa thể thực hiện những phép tính đột phá hay giải quyết các bài toán thực tiễn phức tạp như kỳ vọng." Krysta Svore, Giám đốc Kỹ thuật của Microsoft Quantum, thẳng thắn chia sẻ. Tuy nhiên, đội ngũ Microsoft lạc quan rằng với các thuật toán sửa lỗi tiên tiến và cải tiến phần cứng, Majorana 1 sẽ sớm vượt qua các rào cản này.
Với Majorana 1, Microsoft không chỉ giới thiệu một con chip mới, mà còn đang tái định nghĩa các quy tắc của vật lý. Dù chặng đường phía trước vẫn còn dài với nhiều thách thức, tuyên bố của Microsoft rằng "điện toán lượng tử sẽ trở thành hiện thực trong vài năm thay vì vài thập kỷ" đã khơi dậy hy vọng lớn lao.
Frank Wilczek, nhà vật lý nổi tiếng từ Viện Công nghệ Massachusetts (Mỹ) và từng đoạt giải Nobel, từng nhận định: "Máy tính lượng tử chính là tương lai của khoa học". Có lẽ, tương lai đó đang đến gần hơn chúng ta nghĩ.
