Một nhóm nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển nguyên mẫu máy tính lượng tử nhanh nhất thế giới mang tên Jiuzhang 4.0, có khả năng giải các bài toán toán học phức tạp trong thời gian chưa đến một cái chớp mắt — những tác vụ mà ngay cả siêu máy tính mạnh nhất thế giới cũng sẽ mất thời gian lâu hơn tuổi đời của toàn bộ vũ trụ để xử lý.
Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature hôm thứ Tư, đưa lợi thế tính toán lượng tử lên mức chưa từng có và cho thấy vị thế dẫn đầu của Trung Quốc trong lĩnh vực này.
Máy tính lượng tử hoạt động dựa trên các định luật của cơ học lượng tử. Đơn vị cơ bản của nó là bit lượng tử (qubit), có thể tồn tại đồng thời ở cả trạng thái 0 và 1 — khác với bit truyền thống vốn chỉ có thể là 0 hoặc 1 tại một thời điểm.
Điều này cho phép máy tính lượng tử khám phá nhiều hướng tính toán song song, mang lại tốc độ xử lý tăng theo cấp số nhân đối với một số tác vụ nhất định, chẳng hạn giải bài toán toán học hoặc mô phỏng các hệ lượng tử.
Hiện nay, các hướng công nghệ máy tính lượng tử phổ biến gồm hệ siêu dẫn, bẫy ion, quang tử và nguyên tử trung hòa. Dòng máy tính lượng tử Jiuzhang thuộc nhóm quang tử, mã hóa thông tin bằng các hạt ánh sáng (photon), và tốc độ của hệ thống phụ thuộc vào khả năng thao tác và kiểm soát các photon này.
Tuy nhiên, trong quá trình phát triển bộ xử lý lượng tử quang tử quy mô lớn, hiện tượng thất thoát photon — nguồn gây lỗi tính toán lớn — từ lâu là rào cản nghiêm trọng. Khi mạng quang học trở nên lớn và phức tạp hơn, các photon có thể dễ dàng bị “thất lạc” trong hệ thống, làm suy giảm đáng kể năng lực tính toán.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu do Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc dẫn đầu đã phát triển nguồn sáng dao động tham số quang học hiệu suất cao cùng bộ giao thoa mã hóa lai không-thời gian, tạo nền tảng cho việc xây dựng bộ xử lý lượng tử quang tử có khả năng chịu lỗi.
Nhóm đã tích hợp 1.024 trường quang học trạng thái nén hiệu suất cao vào một mạch mã hóa lai không-thời gian gồm 8.176 chế độ, đạt hiệu suất nguồn sáng 92% và hiệu suất tổng thể của hệ thống ở mức 51%.
Theo nhóm nghiên cứu, đây là những bước tiến quan trọng trong xử lý thông tin lượng tử quang tử có mức thất thoát thấp.
Ngoài ra, kiến trúc mã hóa lai không-thời gian cho phép các photon tương tác đồng thời theo cả chiều không gian và thời gian, giúp tăng mạnh khả năng kết nối của toàn bộ mạng lưới trong khi vẫn kiểm soát được quy mô vật lý của thiết bị.
Dựa trên những cải tiến này, nhóm đã đạt khả năng thao tác và phát hiện tới 3.050 photon, tăng mạnh so với mức 255 photon của phiên bản Jiuzhang 3.0 được công bố năm 2023.
Các thí nghiệm cho thấy mẫu dữ liệu phức tạp nhất do Jiuzhang 4.0 tạo ra chỉ mất 25 micro giây — tức một phần triệu giây. Trong khi đó, El Capitan, siêu máy tính mạnh nhất thế giới do Mỹ phát triển, sẽ cần hơn 10⁴² năm (số 10 và 42 con số 0 theo sau) để tính ra cùng kết quả.
Năm 2020, các nhà khoa học thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc từng phát triển thành công nguyên mẫu Jiuzhang đầu tiên với 76 photon, giúp Trung Quốc trở thành quốc gia thứ hai trên thế giới đạt được “ưu thế lượng tử”, đồng thời là quốc gia đầu tiên đạt cột mốc này trong hệ quang học.
Công nghệ lượng tử hiện được Trung Quốc đưa vào Kế hoạch 5 năm lần thứ 15 (2026-2030) như một ngành công nghiệp tương lai và lĩnh vực chiến lược cần tiếp tục đầu tư mạnh.
Kế hoạch nhấn mạnh việc thúc đẩy các lý thuyết nền tảng, công nghệ cốt lõi và đẩy nhanh ứng dụng công nghiệp, với mục tiêu phát triển máy tính lượng tử phổ dụng có khả năng chịu lỗi cũng như các máy tính lượng tử chuyên dụng có thể mở rộng quy mô.
Một phần của hệ thống máy tính lượng tử Jiuzhang 4.0. Ảnh: Tân Hoa Xã
