Các nhà khoa học Trung Quốc tuyên bố đã phát triển thành công bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên lượng tử (Quantum Random Access Memory - QRAM) đầu tiên trên thế giới có khả năng hoạt động thực nghiệm trên chip siêu dẫn, một bước tiến được đánh giá có thể tháo gỡ nút thắt lớn nhất trong quá trình phát triển máy tính lượng tử đa năng.
Theo nghiên cứu do nhóm khoa học tại Đại học Chiết Giang University thực hiện, QRAM đóng vai trò là cầu nối giữa dữ liệu cổ điển và máy tính lượng tử, cho phép hệ thống lượng tử truy cập lượng dữ liệu khổng lồ với tốc độ vượt xa các phương pháp truyền thống.
Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học uy tín Nature Physics hồi tháng 3, trong khi những chi tiết kỹ thuật tiếp tục được nhóm nghiên cứu chia sẻ với báo Nhật báo Khoa học và Công nghệ của Trung Quốc vào tháng 5.
Nút thắt lớn nhất của máy tính lượng tử
Máy tính lượng tử từ lâu được kỳ vọng sẽ giải quyết những bài toán phức tạp mà các siêu máy tính hiện nay gần như bất lực, từ thiết kế thuốc mới, mô phỏng vật liệu, trí tuệ nhân tạo đến tối ưu hóa hệ thống tài chính.
Tuy nhiên, một trong những vấn đề lớn nhất là khả năng truy cập dữ liệu.
Ngay cả khi sở hữu bộ xử lý lượng tử cực mạnh, hệ thống vẫn phải đọc dữ liệu cổ điển theo cách tuần tự nếu không có một giao diện dữ liệu tốc độ cao. Điều này khiến hiệu suất tổng thể bị suy giảm đáng kể khi phải xử lý các kho dữ liệu khổng lồ.
Nhóm nghiên cứu của Đại học Chiết Giang cho biết QRAM là thành phần nền tảng giúp khắc phục hạn chế này.
Theo các tác giả, QRAM cho phép máy tính lượng tử truy cập dữ liệu cổ điển một cách hiệu quả và là điều kiện tiên quyết để nhiều thuật toán lượng tử đạt được lợi thế tốc độ so với máy tính truyền thống.
Vì sao QRAM quan trọng?
Khác với máy tính thông thường sử dụng bit chỉ nhận giá trị 0 hoặc 1, máy tính lượng tử sử dụng qubit.
Một qubit có thể tồn tại đồng thời ở cả trạng thái 0 và 1 nhờ hiện tượng chồng chập lượng tử (superposition). Kết hợp với hiện tượng vướng víu lượng tử (entanglement), điều này cho phép máy tính lượng tử xử lý nhiều khả năng cùng lúc.
Tuy nhiên, lợi thế đó chỉ thực sự phát huy khi hệ thống có thể truy cập dữ liệu với tốc độ tương xứng.
Trong nhiều năm qua, QRAM được xem là một khái niệm lý thuyết quan trọng trong lĩnh vực điện toán lượng tử, nhưng các thử nghiệm thực tế vẫn rất hạn chế.
Nhóm nghiên cứu Trung Quốc cho biết họ đã xây dựng thành công kiến trúc QRAM trên bộ xử lý lượng tử siêu dẫn, cho phép truy cập dữ liệu trong trạng thái chồng chập thay vì đọc từng mục dữ liệu riêng lẻ.
Nói cách khác, máy tính lượng tử có thể "nhìn" nhiều điểm dữ liệu cùng một lúc thay vì tuần tự từng điểm như các hệ thống hiện nay.
Lần đầu tiên truy cập dữ liệu nhiều bit trên chip lượng tử
Ông Lu Liqiang, đồng tác giả nghiên cứu và là trợ lý giáo sư tại Khoa Khoa học và Công nghệ Máy tính của Đại học Chiết Giang, cho biết nhóm đã vận hành thành công nguyên mẫu QRAM có khả năng truy cập dữ liệu 4 bit và 8 bit trên chip lượng tử siêu dẫn.
Đây được xem là lần đầu tiên công nghệ QRAM được chứng minh có thể hoạt động thực tế ở mức này.
Theo ông Lu, kết quả cho thấy hệ thống có thể xử lý đồng thời nhiều đầu vào dữ liệu thay vì truy xuất tuần tự.
"Trong khi nhiều thuật toán lượng tử hiện nay rất ấn tượng về mặt lý thuyết, việc triển khai chúng trên máy tính lượng tử thực tế đòi hỏi khả năng truy cập hiệu quả khối lượng dữ liệu cổ điển khổng lồ. Nếu không có QRAM, nhiều ứng dụng vẫn chỉ tồn tại trên giấy tờ", ông nói.
Tác động tới phát triển thuốc, AI và tài chính
Nhóm nghiên cứu cho rằng QRAM có thể mở ra hàng loạt ứng dụng thực tiễn quan trọng.
Trong lĩnh vực dược phẩm, công nghệ này có thể giúp máy tính lượng tử nhanh chóng truy xuất các đặc tính cấu trúc của phân tử từ những cơ sở dữ liệu hóa học chứa hàng trăm triệu hợp chất khác nhau.
Điều đó có thể rút ngắn đáng kể thời gian nghiên cứu và phát triển thuốc mới.
Trong lĩnh vực tài chính, QRAM cho phép các thuật toán lượng tử đồng thời phân tích nhiều đặc điểm của dữ liệu giao dịch lịch sử nhằm phát hiện các hành vi gian lận hoặc rủi ro bất thường nhanh hơn đáng kể so với các hệ thống hiện nay.
Đối với trí tuệ nhân tạo, QRAM được xem là thành phần quan trọng để xây dựng AI lượng tử trong tương lai.
Công nghệ này có thể giúp các hệ thống AI lượng tử xử lý các bài toán dữ liệu lớn như nhận dạng hình ảnh, xử lý ngôn ngữ tự nhiên hay tìm kiếm mẫu dữ liệu phức tạp ở quy mô mà máy tính cổ điển khó tiếp cận.
Cuộc đua lượng tử toàn cầu đang tăng tốc
Bước đột phá của Trung Quốc xuất hiện trong bối cảnh cuộc cạnh tranh công nghệ lượng tử giữa các cường quốc ngày càng quyết liệt.
Các tập đoàn như IBM, Google, Microsoft cùng nhiều viện nghiên cứu tại Mỹ, châu Âu và Trung Quốc đang đầu tư hàng tỷ USD để phát triển máy tính lượng tử có khả năng ứng dụng thực tế.
Trong những năm gần đây, Trung Quốc đã liên tục công bố các thành tựu mới về truyền thông lượng tử, cảm biến lượng tử và bộ xử lý lượng tử siêu dẫn.
Việc hiện thực hóa QRAM trên phần cứng thực tế được nhiều chuyên gia xem là một trong những bước đi quan trọng hướng tới mục tiêu xây dựng máy tính lượng tử đa năng có thể xử lý những bài toán dữ liệu quy mô lớn trong thế giới thực.
Theo SCMP, Nature Physics
