Vì vậy, tôi đã theo dõi khá sát sao lĩnh vực tính toán lượng tử, và thành thật mà nói, năm 2024 cảm giác khác biệt so với chu kỳ hype thường lệ. Thường thì bạn sẽ có một thông báo lớn, một con số khổng lồ không ý nghĩa nhiều, rồi im lặng suốt một năm nữa. Lần này thực sự khác — chúng ta đã có ba đột phá lớn từ hoàn toàn các công ty khác nhau, sử dụng các phương pháp hoàn toàn khác nhau, tất cả chỉ trong vòng vài tháng. Đó là kiểu mẫu cho thấy một lĩnh vực thực sự đang tiến lên.

Hãy để tôi phân tích những gì thực sự đã xảy ra vì các đột phá mới nhất trong tính toán lượng tử 2024 không chỉ là bước tiến nhỏ. 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 khoảng 30 năm. Họ thêm nhiều qubit hơn và tỷ lệ lỗi giảm thay vì tăng. Tôi biết điều đó nghe có vẻ hiển nhiên, nhưng thực sự đó là một bước tiến lớn. Vấn đề lớn của hệ thống lượng tử là việc mở rộng quy mô đồng nghĩa với nhiều nhiễu hơn, nhiều sự không ổn định hơn, mọi thứ trở nên lộn xộn hơn. Willow đã phá vỡ mô hình đó. Họ đã chứng minh điều các nhà nghiên cứu gọi là "hoạt động dưới ngưỡng", nghĩa là việc mở rộng quy mô giờ đây thực sự có lợi thay vì gây hại.

Tiêu chuẩn mà họ thực hiện cùng với đó thu hút nhiều sự chú ý — Willow đã thực hiện một phép tính lấy mẫu mạch ngẫu nhiên trong chưa đầy năm phút, trong khi các siêu máy tính cổ điển sẽ mất 10 sextillion năm. Đó là một con số thực được công bố trong Nature với phương pháp đầy đủ có sẵn, điều này quan trọng vì các tuyên bố lượng tử trước đó đã gặp phải những chỉ trích hợp lệ. Nhưng thành thật mà nói: tiêu chuẩn đó vẫn còn khá hẹp. Nó chứng minh rằng một số phép tính nhất định không thể thực hiện bằng phương pháp cổ điển, nhưng chưa có nghĩa là Willow đã chạy các ứng dụng như khám phá thuốc hay mô hình khí hậu ngay lập tức. Điều nó thể hiện là tính toán lượng tử sửa lỗi quy mô lớn không còn chỉ là lý thuyết nữa — đó là một con đường kỹ thuật thực sự.

Tiếp theo là công trình của Microsoft và Quantinuum, vốn ít được truyền thông chính thống chú ý hơn nhưng lại nhận được nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu thực thụ. Vào tháng 4 năm 2024, họ đã trình diễn các qubit hợp lý với tỷ lệ lỗi thấp hơn 800 lần so với các qubit vật lý mà chúng được xây dựng từ đó. Sự phân biệt này rất quan trọng: qubit vật lý là các đơn vị phần cứng nhiễu, qubit hợp lý được xây dựng bằng cách kết hợp nhiều qubit vật lý để phát hiện và sửa lỗi. Vấn đề luôn là bạn cần quá nhiều qubit vật lý để xây dựng qubit hợp lý, khiến toàn bộ quá trình trông có vẻ không khả thi. Giảm lỗi 800 lần thay đổi phép tính đó.

Microsoft còn đẩy xa hơn vào tháng 11 với Atom Computing — họ tạo ra và rối qubit hợp lý 24 qubit bằng cách dùng các nguyên tử ytterbium trung tính siêu lạnh. Kiến trúc phần cứng hoàn toàn khác so với cách tiếp cận của Google. Sau đó, Quantinuum nâng lên 50 qubit hợp lý vào tháng 12. Ý nghĩa ở đây là nhiều con đường khả thi hướng tới tính toán lượng tử chịu lỗi đang tiến triển cùng lúc. Đó không còn là lĩnh vực đặt cược tất cả vào một phương pháp nữa.

Đóng góp của IBM thì ít ồn ào hơn nhưng cũng quan trọng không kém trong việc nghĩ về nguồn gốc của tính toán lượng tử thực tế. Bộ xử lý Heron R2 ra mắt vào tháng 11 với 156 qubit và một số cải tiến hiệu suất thực sự ấn tượng. Tỷ lệ lỗi của cổng 2-qubit giảm xuống còn 8×10⁻⁴, và các tác vụ từng mất hơn 120 giờ giờ chỉ còn khoảng 2,4 giờ. Đó là tốc độ tăng gấp 50 lần cho các phép tính quy mô thực tế. Họ cũng đã công bố một mã sửa lỗi mới gọi là mã qLDPC hình bầu dục song song, đạt được khả năng giảm lỗi tương đương chỉ với 144 qubit dữ liệu thay vì 3.000 — giảm overhead gấp 10 lần. Đó là loại lợi ích về hiệu quả khiến tính toán lượng tử chịu lỗi không còn xa vời nữa mà trở thành một vấn đề kỹ thuật có thể giải quyết.

Nhưng điều mọi người bỏ lỡ là: các đột phá mới nhất trong tính toán lượng tử 2024 còn bao gồm một điều không liên quan gì đến bộ xử lý lượng tử cả. NIST đã công bố các tiêu chuẩn mã hóa hậu lượng tử đầu tiên vào tháng 8. Trong đó, hai trong số ba thuật toán đến từ IBM Research. Điều này quan trọng vì đây là lần đầu tiên một tổ chức tiêu chuẩn toàn cầu chính thức nói rằng "máy tính lượng tử có khả năng phá vỡ mã hóa hiện tại không còn là lý thuyết nữa." 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 thực sự xuất hiện. Thời gian đó thường là một thập kỷ hoặc hơn từ khi tiêu chuẩn được công bố đến khi triển khai rộng rãi.

Hãy để tôi nói thật về những gì năm 2024 đã chứng minh và chưa chứng minh. Nó chưa chứng minh rằng tính toán lượng tử đã "đến nơi" cho các ứng dụng thực tế. Willow chưa chạy khám phá thuốc ngay. 50 qubit hợp lý đó có thể phát hiện lỗi, nhưng sửa lỗi hoàn chỉnh vẫn đang trong quá trình phát triển. Phương pháp nguyên tử trung hòa của Microsoft cần hạ tầng laser mà chưa tồn tại ở quy mô lớn. Bộ xử lý Starling của IBM, hệ thống sửa lỗi hoàn chỉnh đầu tiên của họ, dự kiến ra mắt vào năm 2029.

Điều mà năm 2024 thực sự chứng minh là lĩnh vực đã ngừng tiến bộ theo một hướng và bắt đầu tiến bộ theo tất cả các hướng cùng lúc. Phần cứng, sửa lỗi, qubit hợp lý, hiệu quả phần mềm, tiêu chuẩn mã hóa — tất cả đều đang tiến triển cùng lúc. Cộng đồng nghiên cứu bắt đầu hành xử ít như các nhà vật lý lý thuyết hơn và nhiều như các kỹ sư với các mốc quan trọng có thể kiểm chứng và tái tạo.

Nhìn về 2025 và những năm tới, các đột phá mới nhất trong tính toán lượng tử 2024 cơ bản đã đặt nền móng cho giai đoạn tiếp theo. Google đang hướng tới hoạt động hoàn toàn chịu lỗi. Microsoft nhắm tới 50-100 qubit hợp lý liên kết trong các triển khai thương mại trong vài năm tới. IBM đặt cược vào Starling để cuối cùng kết nối từ khả năng sử dụng lượng tử đến lợi thế lượng tử cho các vấn đề có giá trị thương mại. Quỹ đạo là nhất quán: câu hỏi không còn là liệu tính toán lượng tử sửa lỗi quy mô lớn có khả thi hay không nữa. Năm 2024 đã chứng minh điều đó khả thi qua nhiều phương pháp khác nhau. Giờ đây, câu hỏi là phương pháp nào mở rộng nhanh nhất và khi nào các ứng dụng đủ để đầu tư sẽ thực sự xuất hiện.