Những đột phá mới nhất trong tính toán lượng tử 2024: Những gì thực sự đã thay đổi và tại sao điều đó quan trọng

Có một phiên bản câu chuyện về tính toán lượng tử lặp đi lặp lại hàng năm: một thông cáo báo chí hồi hộp, một con số quá lớn đến mức phá vỡ khả năng hiểu, rồi im lặng. Năm 2024 cảm thấy khác biệt đối với các nhà nghiên cứu thực sự theo dõi lĩnh vực này sát sao. Không phải vì một thông báo duy nhất, mà vì ba khoảnh khắc đột phá riêng biệt xảy ra trong vòng vài tháng — mỗi cái đến từ một công ty khác nhau sử dụng phương pháp tiếp cận hoàn toàn khác nhau cho cùng một vấn đề. Khi điều đó xảy ra đồng thời trên nhiều kiến trúc phần cứng, thường là dấu hiệu cho thấy lĩnh vực này đang tiến lên chứ không chỉ quay vòng.

Dưới đây là những gì thực sự đã thay đổi trong năm 2024, lý do mỗi phát triển quan trọng, và những hạn chế trung thực.

Google Willow: Viện Nghiên Cứu Vi Mạch Thay Đổi Cuộc Đối Thoại Về Sửa Lỗi

Tin lớn nhất của năm rơi vào ngày 9 tháng 12 năm 2024. Nhóm AI lượng tử của Google công bố Willow — một bộ xử lý siêu dẫn 105 qubit được chế tạo tại cơ sở sản xuất riêng của họ tại UC Santa Barbara — và điều mà nó thể hiện không chỉ là một chip nhanh hơn. Đó là bằng chứng của một điều mà lĩnh vực đã cố gắng xác lập suốt gần ba thập kỷ.

Thành tựu cốt lõi: khi Google thêm nhiều qubit vào Willow, tỷ lệ lỗi lại giảm thay vì tăng. Nghe có vẻ đơn giản. Không phải vậy. Trong nhiều năm, sự thất vọng chính của tính toán lượng tử là nhiều qubit hơn đồng nghĩa với nhiều nhiễu hơn, nhiều bất ổn hơn, nhiều lỗi lan truyền qua các phép tính hơn. Bạn có thể xây dựng một hệ thống lớn hơn, nhưng sẽ ít đáng tin cậy hơn. Willow đã phá vỡ mối quan hệ đó. Sử dụng kiến trúc sửa lỗi của nó, chip thể hiện được điều gọi là “hoạt động dưới ngưỡng” — điểm mà tại đó việc mở rộng quy mô thực sự giúp ích chứ không gây hại.

Tiêu chuẩn mà Google chạy cùng với thông báo này trở nên nổi tiếng ngay lập tức: Willow hoàn thành một phép tính lấy mẫu mạch ngẫu nhiên trong chưa đầy năm phút, trong khi siêu máy tính cổ điển nhanh nhất hiện nay sẽ mất 10 septilion năm — tức 10²⁵ năm, xấp xỉ một triệu lần tuổi của vũ trụ hiện tại. Như Hartmut Neven, người sáng lập Google Quantum AI từ năm 2012, nói: “Chúng ta đã vượt qua điểm hòa vốn.” Các chi tiết kỹ thuật đầy đủ đã được công bố trên tạp chí Nature, điều này rất quan trọng: các tuyên bố về siêu vi lượng tử trước đây đã gặp phải những chỉ trích hợp lệ, và việc có phương pháp luận để kiểm tra là một sự khác biệt có ý nghĩa.

Thông báo chính thức và tài liệu kỹ thuật có thể truy cập trực tiếp tại blog của Google Quantum AI.

Hạn chế trung thực: bài kiểm tra tiêu chuẩn của Willow vẫn còn hạn chế. Lấy mẫu mạch ngẫu nhiên chứng minh rằng một số phép tính nhất định là không thể xử lý theo kiểu cổ điển đối với chip này — điều đó không có nghĩa là Willow hiện có thể chạy các ứng dụng phát hiện thuốc hoặc mô hình khí hậu mà thường được đề cập mỗi khi tính toán lượng tử được nhắc đến. Giá trị của Willow mang tính kiến trúc: nó cho thấy rằng tính toán lượng tử sửa lỗi quy mô lớn không còn là giới hạn lý thuyết nữa. Đó là một con đường kỹ thuật đã được chứng minh.

Microsoft và Quantinuum: Cột Mốc Qubit Hợp Lý

Tám tháng trước khi công bố Willow, Microsoft và Quantinuum đã công bố một kết quả vào tháng 4 năm 2024 ít được truyền thông rộng rãi hơn nhưng có thể thu hút sự chú ý nhiều hơn từ các nhà nghiên cứu. Họ đã thể hiện qubit hợp lý với tỷ lệ lỗi thấp hơn 800 lần so với các qubit vật lý tương ứng — sử dụng cái mà Microsoft gọi là “ảo hóa qubit”.

Sự phân biệt giữa qubit vật lý và qubit hợp lý là ranh giới thực trong tính toán lượng tử. Qubit vật lý là các đơn vị phần cứng — chúng nhiễu, nhạy cảm với nhiệt độ, rung động, nhiễu điện từ, và chính thời gian. Qubit hợp lý được xây dựng bằng cách kết hợp nhiều qubit vật lý thành một cấu trúc mã hóa thông tin dư thừa, để có thể phát hiện và sửa lỗi mà không phá hủy tính toán. Thách thức luôn là qubit hợp lý cần rất nhiều qubit vật lý để xây dựng, khiến chi phí quá lớn khiến toàn bộ quá trình trở nên không thực tế. Việc giảm tỷ lệ lỗi 800 lần có nghĩa là qubit hợp lý bắt đầu trông có vẻ khả thi hơn là lý thuyết.

Microsoft còn mở rộng điều này vào tháng 11 năm 2024. Họ hợp tác với Atom Computing, tạo ra và rối qubit hợp lý gồm 24 qubit trung hòa ytterbium cực lạnh — thiết lập kỷ lục mới và thực hiện điều này với độ chính xác cổng đáng chú ý: 99,963% cho các phép toán qubit đơn và 99,56% cho các cổng rối hai qubit. Phương pháp atom trung hòa sử dụng các nguyên tử được làm lạnh bằng laser và giữ cố định bằng kẹp quang, một kiến trúc phần cứng hoàn toàn khác so với các transmon siêu dẫn của Google. Điều này quan trọng vì nó cho thấy nhiều con đường khả thi hướng tới tính toán lượng tử chịu lỗi đang tiến triển đồng thời, thay vì lĩnh vực chỉ đặt cược vào một phương pháp duy nhất.

Sau đó, vào tháng 12 năm 2024, Quantinuum còn tiến xa hơn nữa: rối được 50 qubit hợp lý — một kỷ lục khác, và là minh chứng cho rằng kỷ nguyên qubit hợp lý không còn là một mốc trong tương lai mà là hiện tại đang diễn ra.

IBM Heron R2: Đột Phá Trong Ngành Kỹ Thuật

Google Willow và qubit hợp lý của Microsoft thu hút nhiều tiêu đề hơn trong năm 2024. Đóng góp của IBM thì lặng lẽ hơn nhưng cũng quan trọng không kém đối với bất kỳ ai nghĩ về nguồn gốc của tính toán lượng tử thực tế.

Tháng 11 năm 2024, IBM giới thiệu bộ xử lý Heron R2 — 156 qubit, thế hệ thứ hai của kiến trúc Heron, xây dựng theo lưới hình lục giác nặng. Số lượng qubit chính ít quan trọng hơn những gì đã xảy ra với hiệu suất. Tỷ lệ lỗi cổng 2Q của IBM giảm xuống còn 8×10⁻⁴. Hệ thống hiện có thể thực thi các mạch lượng tử với tối đa 5.000 phép tính cổng hai qubit. Và các khối lượng công việc trước đây mất hơn 120 giờ để hoàn thành trên phần cứng lượng tử tốt nhất của IBM giờ chỉ mất khoảng 2,4 giờ — tương đương tốc độ tăng khoảng 50 lần.

Trong đầu năm 2024, IBM cũng hoàn thành “Thử thách 100×100” do chính họ đề ra, chạy một mạch 100 qubit với độ sâu 100 trong vòng vài giờ. Đây là một phép tính “quy mô tiện ích” — không thể giải quyết bằng phương pháp cổ điển — và hoàn thành nó thể hiện bước tiến đo lường, từng bước, mà IBM đã xây dựng danh tiếng.

Kết quả kỹ thuật quan trọng hơn của IBM trong năm 2024 là trong một bài báo của Nature mô tả một mã sửa lỗi mới gọi là mã “xe đạp song biến” qLDPC. Sửa lỗi lượng tử truyền thống dùng mã bề mặt cần khoảng 3.000 qubit vật lý để mã hóa một qubit hợp lý đáng tin cậy. Mã mới của IBM đạt được mức giảm lỗi tương đương chỉ với 144 qubit dữ liệu cộng thêm 144 qubit phụ trợ để kiểm tra lỗi — giảm gấp 10 lần chi phí. Mức hiệu quả này khiến tính toán lượng tử chịu lỗi trông ít như một mục tiêu xa vời hơn và nhiều hơn một vấn đề kỹ thuật có con đường rõ ràng để giải quyết.

Lộ trình phần cứng đầy đủ của IBM và các thông số hiện tại của bộ xử lý được ghi rõ tại ibm.com/quantum.

NIST và Mật mã hậu lượng tử: Bước đột phá năm 2024 mà ít ai nói tới

Phát triển lớn thứ tư của năm 2024 không liên quan đến bộ xử lý lượng tử nào cả. Tháng 8 năm 2024, Viện Tiêu Chuẩn và Công Nghệ Quốc Gia Hoa Kỳ (NIST) chính thức công bố các tiêu chuẩn mã hóa hậu lượng tử đầu tiên — các thuật toán được thiết kế để chống lại các cuộc tấn công từ máy tính lượng tử trong tương lai. Hai trong số ba thuật toán (ML-KEM và ML-DSA) do các nhà mật mã của IBM Research tại Zurich phát triển.

Tại sao điều này lại thuộc về các đột phá trong tính toán lượng tử? Bởi vì đây là lần đầu tiên một tổ chức tiêu chuẩn toàn cầu thừa nhận rõ ràng rằng máy tính lượng tử đủ khả năng phá vỡ mã hóa hiện tại không còn là lý thuyết thuần túy nữa. Các tiêu chuẩn này tồn tại vì các chính phủ và doanh nghiệp cần bắt đầu chuyển đổi ngay bây giờ, trước khi máy tính lượng tử có khả năng mã hóa quan trọng xuất hiện. Thời gian chuyển đổi từ công bố tiêu chuẩn đến triển khai rộng rãi thường mất một thập kỷ hoặc hơn. Quyết định của NIST năm 2024 thực sự bắt đầu tính đồng hồ đó.

Đối với hạ tầng blockchain và tài sản kỹ thuật số, điều này liên quan trực tiếp. Các phương thức mã hóa bất đối xứng hiện tại bảo vệ ví, giao dịch, và hợp đồng thông minh cuối cùng sẽ cần được thay thế bằng các phương án chống lượng tử. Phần mềm của BlockchainReporter theo dõi sự chuyển đổi này khi nó diễn ra trong ngành.

Để có phân tích chi tiết về cách các tiến bộ lượng tử ảnh hưởng đến an ninh tiền điện tử, xem bài phân tích của BlockchainReporter về tác động của tính toán lượng tử đối với tiền điện tử.

Đánh giá trung thực: Những gì năm 2024 đã chứng minh và chưa chứng minh

Sẽ rất dễ đọc qua phần trên và kết luận rằng tính toán lượng tử đã “đến nơi”. Cách diễn đạt đó không hoàn toàn chính xác, và các nhà nghiên cứu liên quan đã rõ ràng về điều này.

Google Willow chưa chạy các ứng dụng mà lộ trình dài hạn của nó hứa hẹn — phát hiện thuốc, khoa học vật liệu, tối ưu tài chính. Nó thể hiện sửa lỗi dưới ngưỡng và một kết quả tiêu chuẩn. Khoảng cách giữa điều đó và một phép tính thương mại hữu ích vẫn còn lớn, đòi hỏi tỷ lệ lỗi thấp hơn nhiều so với mức hiện tại.

Để hiểu rõ phản ứng của cộng đồng crypto đối với các phát triển này, bài phân tích của BlockchainReporter về quan điểm của các chuyên gia về các mối đe dọa lượng tử đối với Bitcoin cung cấp góc nhìn hữu ích về khoảng cách giữa rủi ro lý thuyết và thực tế hiện tại.

50 qubit hợp lý của Quantinuum có thể phát hiện lỗi, nhưng việc sửa lỗi hoàn chỉnh (phát hiện và sửa lỗi mà không phá hủy trạng thái lượng tử) vẫn là một vấn đề khó hơn đang được nghiên cứu. Kỷ lục của Atom Computing của Microsoft sử dụng nguyên tử trung hòa yêu cầu hạ tầng kiểm soát laser cực kỳ tinh vi mà chưa tồn tại ở quy mô lớn.

Heron R2 của IBM là hệ thống được triển khai thực tế nhất trong năm 2024 — nó nằm trong đám mây lượng tử của IBM, khách hàng doanh nghiệp đang chạy các khối lượng công việc trên đó, và thử nghiệm 100×100 thể hiện kết quả quy mô tiện ích. Nhưng bộ xử lý Starling, hệ thống đã sửa lỗi hoàn toàn đầu tiên của IBM, dự kiến ra mắt vào năm 2029.

Điều mà năm 2024 chứng minh quan trọng hơn những gì nó chưa chứng minh. Lĩnh vực này đã ngừng tiến bộ theo một hướng và bắt đầu tiến bộ đồng thời theo nhiều hướng — phần cứng, sửa lỗi, qubit hợp lý, hiệu quả phần mềm, và tiêu chuẩn mã hóa. Là một cộng đồng nghiên cứu, nó bắt đầu hành xử ít như một ngành vật lý lý thuyết hơn và nhiều như một lĩnh vực kỹ thuật với các mốc có thể kiểm chứng và nhân rộng.

Đối với độc giả của BlockchainReporter theo dõi sự hội tụ của tính toán lượng tử và AI đang định hình lại hạ tầng tài chính, phần phát triển mới nhất trong blockchain và công nghệ nổi bật đề cập cách những chuyển đổi này ảnh hưởng đến hệ thống phi tập trung và an ninh tài sản kỹ thuật số trong thời gian thực.

Điều gì tiếp theo: Quỹ đạo năm 2025–2026

Các đột phá năm 2024 đặt ra một loạt các bước tiếp theo mà lĩnh vực này hiện đang tích cực xử lý.

Mốc tiếp theo của Google sau Willow là đạt được hoạt động chịu lỗi — chuyển từ sửa lỗi dưới ngưỡng sang sửa lỗi hoàn chỉnh, nơi hệ thống có thể chạy các phép tính dài vô hạn một cách đáng tin cậy. Thuật toán Quantum Echoes, được công bố trên bộ xử lý Willow năm 2025, đã thể hiện lợi thế lượng tử có thể xác minh lần đầu tiên cho một vấn đề tính toán thực, đánh dấu bước tiến vượt ra ngoài các thử nghiệm tiêu chuẩn hướng tới kết quả phù hợp với ứng dụng.

Lộ trình của Microsoft hướng tới 50–100 qubit hợp lý rối trong các triển khai thương mại trong vài năm tới — đủ, theo ước tính của họ, để đạt “đột phá thực sự trong khoa học vật liệu hoặc hóa học.” Việc giới thiệu chip Majorana 1 vào năm 2025, dựa trên qubit topo kỳ lạ, đại diện cho một cược kiến trúc thứ ba bên cạnh các phương pháp siêu dẫn và nguyên tử trung hòa.

IBM dự kiến ra mắt bộ xử lý Starling vào năm 2029, hướng tới 100 triệu cổng trên 200 qubit đã sửa lỗi bằng phương pháp sửa lỗi Gross — kiến trúc mà IBM tin rằng cuối cùng sẽ kết nối tính hữu dụng lượng tử với lợi thế lượng tử cho các vấn đề có giá trị thương mại.

Quỹ đạo từ năm 2024 hướng về một hướng duy nhất: câu hỏi không còn là liệu tính toán lượng tử sửa lỗi quy mô lớn có khả thi hay không. Các đột phá năm 2024 đã xác nhận rằng điều đó khả thi trên nhiều phương pháp phần cứng khác nhau. Câu hỏi bây giờ là phương pháp nào mở rộng nhanh nhất, và các ứng dụng đủ để đầu tư sẽ xuất hiện nhanh như thế nào.

Bài viết này chỉ nhằm mục đích cung cấp thông tin và giáo dục. Nó không phải là lời khuyên tài chính hoặc đầu tư.