Tương tự như các máy tính thế hệ đầu tiên, những máy tính lượng tử hiện tại thường có kích thước to lớn, cồng kềnh. Đó là vì chúng phải được đặt trong các phòng chân không tuyệt đối, cô lập hoàn toàn khỏi các chấn động cơ học thậm chí cả từ trường bên ngoài. Các yêu cầu này để đảm bảo khả năng xoay của electron không gặp phải các nhiễu động làm hỏng phép tính của chúng.

Đó là còn chưa kể đến nhiệt độ siêu lạnh ở gần độ không tuyệt đối đến mức bất kỳ nhiệt độ lớn hơn 10^-15 độ C (một phần triệu tỷ) cũng có thể làm chấn động các qubit làm chúng mất đi tính gắn kết với nhau. Để đạt tới mức nhiệt độ đó, các máy tính lượng tử hiện nay cần được đặt trong các thiết bị siêu lạnh phức tạp và đắt đỏ.

Máy tính lượng tử của IBM phiên bản năm 2017

Tuy nhiên, một startup tại Úc có tên Quantum Brilliance cho biết, họ đã phát triển được một bộ vi xử lý lượng tử không cần đến các yếu tố trên. Thậm chí nó có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng và vì vậy thu nhỏ đáng kể kích thước của nó. Hiện tại nó đang có kích thước tương đương một khay máy chủ thông thường, nhưng trong tương lai không xa, nó sẽ chỉ bằng card đồ họa hiện tại. Còn xa hơn nữa, thậm chí nó còn có thể nằm gọn trong các thiết bị di động, bên cạnh các bộ xử lý thông thường.

Nếu startup này làm được những gì họ hứa hẹn, đó sẽ là một cuộc cách mạng thực sự đối với ngành điện toán lượng tử - tương tự như những gì thế giới đã làm được với các máy tính truyền thống trong nhiều thập kỷ qua – thu nhỏ từ các máy tính lớn bằng tòa nhà xuống các thiết bị di động mà chúng ta sử dụng hàng ngày.

Không chỉ gọn nhẹ hơn, máy tính lượng tử sẽ rẻ hơn nhiều so với trước đây, người dùng cũng có thể trực tiếp sử dụng nó dễ dàng hơn, thay vì phải thông qua kết nối tới máy chủ như hiện tại nữa.

Startup này làm điều đó như thế nào?

Được sáng lập năm 2019 với các nhà sáng lập đến từ Đại học Quốc gia Úc, Quantum Brilliance tập trung vào phát triển các kỹ thuật sản xuất, mở rộng và kiểm soát các qubit lượng tử nhúng trong kim cương nhân tạo.

Theo mô tả trong tài liệu của công ty, "các máy tính lượng tử kim cương tại nhiệt độ phòng chứa một mảng các node (nút) bộ xử lý. Mỗi node bộ xử lý bao gồm một tinh thể kim cương khuyết phân tử Nitơ (nitrogen-vacancy center) và một cụm các spin hạt nhân – một spin hạt nhân Nitơ và có đến 4 spin hạt nhân tạp chất xung quanh.

Các spin hạt nhân đóng vai trò như những qubit của máy tính lượng tử, trong khi tinh thể kim cương đóng vai trò như các bus lượng tử để làm trung gian cho việc khởi tạo và đọc ra các qubit, cũng như phép tính nhiều qubit ở bên trong và bên ngoài các node. Việc tính toán lượng tử được điều khiển thông qua tần số vô tuyến, vi sóng, quang học và từ trường."

Các tinh thể kim cương sẽ là nơi chứa các qubit lượng tử, giúp nó hoạt động ổn định ngay cả trong nhiệt độ thường

Trên thực tế, ý tưởng về các qubit lượng tử hoạt động ở nhiệt độ phòng đã xuất hiện từ hơn 20 năm nay, nhưng đóng góp quan trọng nhất của Quantum Brilliance là việc tìm ra cách sản xuất hàng loạt các bộ xử lý tinh vi này một cách chính xác, cũng như thu nhỏ và tích hợp các kiến trúc có thể điều khiển được để nhập xuất thông tin vào các qubit.

Ông Mark Luo, COO và nhà đồng sáng lập Quantum Brilliance, cho biết: "Kim cương là một vật liệu vô cùng vững chắc. Do vậy nó có thể mang trên mình toàn bộ các đặc tính trên – cho phép duy trì trạng thái lượng tử ổn định hơn so với các hệ thống hiện tại. Với sự vững chắc đó, chúng tôi có thể tận dụng các hệ thống điều khiển truyền thống."

Hiện tại Quantum Brilliance đã tạo ra một số "bộ kit phát triển lượng tử" cho các máy tính lượng tử cỡ nhỏ của mình, mỗi bộ kít chứa khoảng 5 qubit. Và các thiết bị này đã tới tay khách hàng đầu tiên để họ kiểm tra hiệu năng, cũng như thử nghiệm khả năng tích hợp và thiết kế của nó. Điều này là để mở đường cho việc công ty ra mắt sản phẩm "Bộ tăng tốc Lượng tử" với khoảng 50 qubit vào năm 2025 tới đây.

Ông Luo cho biết, "chúng tôi cho rằng trong hơn một thập kỷ tới, thậm chí chúng tôi có thể tạo ra một bộ xử lý SoC (System on Chip) lượng tử dành cho các thiết bị di động. Bởi vì đây là loại vật liệu hoàn toàn có thể đạt được bằng công nghệ khoa học vật liệu hiện nay."

Bộ gia tốc lượng tử dự định được Quantum Brilliance ra mắt năm 2025 có kích thước chỉ bằng GPU hiện tại nhưng chứa đến 50 qubit và hoạt động ở nhiệt độ thường

Hiệu năng của nó so với các máy tính lượng tử siêu dẫn truyền thống như thế nào?

Công ty cho biết, dù có kích thước nhỏ nhưng máy tính lượng tử này sẽ có nhiều đặc tính vượt trội so với các máy tính lượng tử cồng kềnh hiện nay. Một vài con số dưới đây giúp củng cố lập luận của công ty.

"Thông thường các qubit lượng tử duy trì được trạng thái gắn kết của mình trong khoảng 100, 150 micro giây. Còn đối với các qubit kim cương ở nhiệt độ phòng, thời gian lên đến nhiều mili giây – dài hơn hàng nghìn lần so với trước và nghĩa là bạn có thể làm được nhiều điều hơn. Đó là một phần của phép tính, phần còn lại là tỷ lệ lỗi. Về cơ bản, các qubit đều có một tỷ lệ lỗi nhất định, ngay cả trước khi chúng bị mất tính gắn kết và thoái hóa xuống mức ngẫu nhiên thuần túy. Còn tỷ lệ lỗi đối với các qubit kim cương, tỷ lệ lỗi rất rất khả quan."

Thế nhưng tầm nhìn trong 5 năm tới của Quantum Brilliance không hướng đến việc giành được ưu thế lượng tử như các phòng thí nghiệm đang làm, thay vào đó họ hướng đến việc biến máy tính lượng tử trở nên dễ tiếp cận hơn, dễ tích hợp hơn, tương tự như việc gắn card đồ họa vào desktop hiện tại. Nhờ đó, các nhà phát triển phần mềm vẫn có thể sử dụng máy tính truyền thống cho các tác vụ chúng có ưu thế và chuyển sang sử dụng bộ xử lý lượng tử khi cần thiết.