Được rồi, tôi đã theo dõi lĩnh vực tính toán lượng tử đủ gần để biết khi nào chu kỳ quảng cáo thông thường chỉ là quay vòng và khi nào thực sự có sự thay đổi. Năm 2024 cảm giác khác biệt. Không phải vì một thông báo nào đó, mà vì chỉ trong vài tháng, ba nhóm riêng biệt sử dụng các phương pháp phần cứng hoàn toàn khác nhau đều đạt các mốc quan trọng. Khi điều đó xảy ra đồng thời trên toàn lĩnh vực, có nghĩa là chúng ta thực sự đang tiến bộ, không chỉ là tái chế các thông cáo báo chí cũ.

Hãy để tôi phân tích những đột phá mới nhất trong tính toán lượng tử năm 2024 thực sự đã chứng minh gì và tại sao nó quan trọng hơn tiêu đề.

Google đã ra mắt Willow vào tháng 12—một bộ xử lý siêu dẫn 105-qubit làm điều mà lĩnh vực đã theo đuổi suốt 30 năm. Khi thêm nhiều qubit hơn, tỷ lệ lỗi giảm thay vì tăng. Đó là toàn bộ trò chơi. Trong nhiều thập kỷ, nhiều qubit hơn đồng nghĩa với nhiều nhiễu, nhiều lỗi xếp chồng lên nhau. Willow đã phá vỡ mối quan hệ đó với kiến trúc sửa lỗi của nó, đạt được trạng thái hoạt động "dưới ngưỡng". Tiêu chuẩn mà họ công bố thật điên rồ—một phép tính trong chưa đầy năm phút mà các siêu máy tính cổ điển sẽ mất 10 septillion năm để hoàn thành. Nhưng phần trung thực là: tiêu chuẩn đó khá hẹp. Nó chứng minh việc lấy mẫu mạch ngẫu nhiên hoạt động, nhưng chưa có nghĩa là Willow đang chạy các mô phỏng khám phá thuốc nữa. Giá trị thực sự mang tính kiến trúc—nó cho thấy tính toán lượng tử sửa lỗi quy mô lớn không còn là lý thuyết nữa.

Trong khi đó, Microsoft và Quantinuum đã công bố một thứ gì đó vào tháng 4 ít được chú ý hơn nhưng có lẽ còn quan trọng hơn đối với các nhà nghiên cứu. Qubits hợp lý với tỷ lệ lỗi thấp hơn 800 lần so với các qubits vật lý mà chúng xuất phát từ đó. Đó là sự phân biệt quan trọng: qubits vật lý là các đơn vị phần cứng nhiễu, qubits hợp lý được xây dựng từ nhiều qubits vật lý sắp xếp để phát hiện và sửa lỗi mà không phá hủy tính toán. Chi phí bổ sung luôn rất khủng khiếp, nhưng một cải tiến 800 lần thay đổi phép tính. Sau đó, vào tháng 11, Microsoft hợp tác với Atom Computing đã tạo ra trạng thái liên kết chặt chẽ 24 qubits hợp lý bằng cách sử dụng nguyên tử trung hòa siêu lạnh—hoàn toàn kiến trúc phần cứng khác, điều này báo hiệu nhiều con đường khả thi phía trước. Quantinuum tiến xa hơn với 50 qubits hợp lý vào tháng 12.

Đóng góp của IBM ít ồn ào hơn nhưng cũng quan trọng không kém. Heron R2 vào tháng 11—156 qubits với tỷ lệ lỗi cổng 2Q ở mức 8×10⁻⁴. Các khối lượng công việc mất hơn 120 giờ nay chỉ chạy trong 2,4 giờ. Đó là loại bằng chứng đo lường, từng bước mà IBM xây dựng danh tiếng của mình. Họ cũng công bố một mã sửa lỗi mới—mã qLDPC hình chữ nhật bivariate—giảm chi phí mã hóa một qubit hợp lý xuống 10 lần. Lợi ích về hiệu quả này chính là điều khiến tính toán lượng tử chịu lỗi chuyển từ "mục tiêu xa vời" thành "vấn đề kỹ thuật có giải pháp."

Sau đó là tiêu chuẩn mã hóa lượng tử hậu lượng tử của NIST vào tháng 8. Điều này nghe có vẻ không giống như một đột phá trong tính toán lượng tử, nhưng thực sự là vậy. Đây là lần đầu tiên một tổ chức tiêu chuẩn toàn cầu chính thức thừa nhận rằng máy tính lượng tử có khả năng phá vỡ mã hóa hiện tại không còn là lý thuyết nữa. Quá trình chuyển đổi từ tiêu chuẩn sang triển khai mất hơn một thập kỷ, vì vậy các chính phủ và doanh nghiệp cần bắt đầu ngay bây giờ. Đặc biệt đối với blockchain, điều này liên quan trực tiếp—bảo mật ví, xác thực giao dịch, hợp đồng thông minh đều dựa trên mã hóa bất đối xứng sẽ cuối cùng cần các giải pháp chống lượng tử.

Điều thực sự quan trọng về những đột phá mới nhất trong tính toán lượng tử 2024 này là: lĩnh vực này đã ngừng di chuyển theo một hướng và bắt đầu di chuyển theo tất cả các hướng cùng lúc. Cải tiến phần cứng, sửa lỗi, qubits hợp lý, hiệu quả phần mềm, tiêu chuẩn mã hóa. Nó bắt đầu hành xử ít như vật lý lý thuyết hơn và nhiều như kỹ thuật với các mốc quan trọng có thể xác minh độc lập.

Nhưng hãy thành thật về những hạn chế. Willow chưa chạy các ứng dụng mà lộ trình của nó hứa hẹn. Sửa lỗi qubits hợp lý vẫn còn khó hơn là phát hiện. Phương pháp nguyên tử trung hòa của Microsoft yêu cầu hạ tầng laser chưa tồn tại ở quy mô lớn. Hệ thống sửa lỗi hoàn chỉnh đầu tiên của IBM, Starling, chưa ra mắt cho đến năm 2029.

Điều thay đổi là quỹ đạo. Câu hỏi chuyển từ "liệu tính toán lượng tử sửa lỗi quy mô lớn có khả thi không?" sang "phương pháp nào mở rộng nhanh nhất?" Đó là bước chuyển từ nghiên cứu sang kỹ thuật, và đó chính là điều mà năm 2024 thực sự đã chứng minh.