Vì vậy, tôi đã theo dõi lĩnh vực tính toán lượng tử trong một thời gian dài, và những gì xảy ra vào cuối năm 2024 thực sự khác biệt so với chu kỳ hype thông thường. Thay vì một công ty phát hành thông cáo báo chí với những con số không thể tin nổi rồi im lặng, chúng ta đã chứng kiến ba khoảnh khắc đột phá riêng biệt từ các nhóm hoàn toàn khác nhau sử dụng các phương pháp phần cứng hoàn toàn khác nhau — tất cả chỉ trong vòng vài tháng. Đó là lúc bạn biết điều gì đó thực sự đang thay đổi trong lĩnh vực này.

Hãy để tôi phân tích những gì thực sự quan trọng. Vi xử lý Willow của Google vào tháng 12 là tiêu đề nổi bật, và lý do là hợp lý. Họ đã xây dựng một bộ xử lý siêu dẫn 105-qubit và chứng minh điều mà các nhà nghiên cứu đã theo đuổi suốt hàng thập kỷ: thêm nhiều qubit thực sự làm giảm tỷ lệ lỗi thay vì tăng lên. Nghe có vẻ trivial cho đến khi bạn nhận ra đây là vấn đề cốt lõi đang kìm hãm toàn bộ lĩnh vực. Nhiều qubit hơn đồng nghĩa với nhiều nhiễu, nhiều bất ổn, lỗi lan truyền khắp nơi. Willow đã phá vỡ mô hình đó bằng cách sử dụng kiến trúc sửa lỗi của họ để đạt được điều họ gọi là hoạt động dưới ngưỡng. Tiêu chuẩn mà họ chạy song song trở thành đề tài ngay lập tức cho mọi phương tiện truyền thông công nghệ — một phép tính mà các siêu máy tính cổ điển mất 10 triệu tỷ năm để hoàn thành, chỉ trong chưa đầy năm phút. Hartmut Neven, người điều hành nhóm lượng tử của Google, gần như nói rằng chúng ta đã vượt qua điểm hòa vốn rồi. Các chi tiết kỹ thuật đã được đăng trên tạp chí Nature, điều này thực sự quan trọng vì các tuyên bố lượng tử trước đó đã bị chỉ trích hợp lệ vì thiếu minh bạch.

Nhưng đây là phần trung thực: thử nghiệm của Willow vẫn còn hạn chế. Nó chứng minh rằng một số phép tính là không thể thực hiện được đối với hệ thống cổ điển, không phải rằng chúng ta đột nhiên đang chạy các mô phỏng khám phá thuốc. Giá trị thực sự mang tính kiến trúc — nó cho thấy tính toán lượng tử sửa lỗi quy mô lớn không còn là giới hạn lý thuyết nữa. Đó là một con đường kỹ thuật thực sự.

Điều có lẽ ít được chú ý hơn nhưng thực sự gây ấn tượng hơn đối với các nhà nghiên cứu là những gì Microsoft và Quantinuum đã làm đầu năm 2024. Họ đã tạo ra các qubit hợp lý với tỷ lệ lỗi thấp hơn 800 lần so với các qubit vật lý nằm dưới chúng. Sự phân biệt giữa qubit vật lý và qubit hợp lý là tất cả. Qubit vật lý là các đơn vị phần cứng nhiễu. Qubit hợp lý kết hợp nhiều qubit vật lý một cách dư thừa để lỗi có thể được phát hiện và sửa chữa mà không phá hủy toàn bộ phép tính. Vấn đề trước đây là qubit hợp lý yêu cầu quá nhiều qubit vật lý đến mức chi phí vượt quá khả năng thực tế. Một cải tiến 800 lần thay đổi hoàn toàn phép tính đó.

Microsoft còn tiến xa hơn với Atom Computing vào tháng 11, thành công tạo ra và rối quấn 24 qubit hợp lý bằng cách sử dụng các nguyên tử ytterbium trung tính siêu lạnh — đạt độ trung thực 99,963% trong các thao tác qubit đơn và 99,56% trong các cổng hai qubit. Sau đó, Quantinuum đã nâng lên 50 qubit hợp lý rối. Ý nghĩa ở đây là nhiều kiến trúc phần cứng hoàn toàn khác nhau đều đang tiến bộ cùng lúc. Chúng ta không còn đặt cược tất cả vào một phương pháp nữa. Google sử dụng transmon siêu dẫn, Microsoft dùng nguyên tử trung tính, và lĩnh vực đang tiến bộ trên tất cả các mặt.

Đóng góp của IBM trong năm 2024 ít ồn ào hơn nhưng cũng quan trọng không kém đối với bất kỳ ai nghĩ về triển khai thực tế. Bộ xử lý Heron R2 đạt 156 qubit với tỷ lệ lỗi cổng 2Q là 8×10⁻⁴ và có thể thực thi các mạch với tối đa 5.000 phép tính cổng hai qubit. Các khối lượng công việc mất hơn 120 giờ nay chỉ chạy trong 2,4 giờ — tăng tốc khoảng 50 lần. IBM cũng hoàn thành Thử thách 100×100 của họ, chạy một mạch 100 qubit ở độ sâu 100, điều này được xem là tính toán quy mô tiện ích mà không thể brute-force bằng phương pháp cổ điển. Điều quan trọng hơn về mặt kỹ thuật là bài báo của họ trên Nature về mã bicycle qLDPC hai biến, đạt khả năng giảm lỗi bằng cách sử dụng 144 qubit dữ liệu thay vì 3.000 như các mã bề mặt truyền thống yêu cầu. Đó là một lợi ích hiệu quả gấp 10 lần, và đó là loại điều khiến tính toán lượng tử chịu lỗi trông như một vấn đề kỹ thuật có thể giải quyết được thay vì một giấc mơ xa vời.

Cũng có một phát triển thứ tư mà ít ai nói đến. NIST đã công bố các tiêu chuẩn mã hóa lượng tử hậu lượng tử đầu tiên vào tháng 8 năm 2024 — các thuật toán được thiết kế để chống lại các cuộc tấn công từ máy tính lượng tử tương lai. Tại sao lại đưa điều này vào các đột phá mới nhất của lượng tử năm 2024? Bởi vì đây là sự công nhận chính thức đầu tiên của một tổ chức tiêu chuẩn toàn cầu rằng máy tính lượng tử có liên quan về mặt mã hóa không còn là lý thuyết nữa. Các chính phủ và doanh nghiệp cần bắt đầu chuyển đổi ngay bây giờ, trước khi các máy này xuất hiện. Thời gian triển khai thường là một thập kỷ hoặc hơn, vì vậy đồng hồ đang chạy. Đối với hạ tầng blockchain và tài sản kỹ thuật số, điều này trực tiếp liên quan — mã hóa ví, bảo mật giao dịch, hợp đồng thông minh cuối cùng đều cần các giải pháp chống lượng tử.

Hãy để tôi rõ ràng về những gì năm 2024 thực sự chứng minh so với những gì nó không. Willow chưa chạy các ứng dụng khám phá thuốc. 50 qubit hợp lý của Quantinuum có thể phát hiện lỗi nhưng sửa lỗi hoàn chỉnh vẫn đang được hoàn thiện. Phương pháp nguyên tử trung tính của Microsoft yêu cầu hạ tầng laser chưa tồn tại ở quy mô lớn. Heron R2 của IBM là hệ thống được triển khai thực tế nhất với khách hàng doanh nghiệp đang chạy các khối lượng công việc, nhưng bộ xử lý Starling hoàn toàn sửa lỗi đầu tiên của IBM dự kiến sẽ ra mắt vào năm 2029.

Điều quan trọng hơn 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 bộ cùng nhau. Cộng đồng nghiên cứu đã chuyển từ chế độ vật lý lý thuyết sang chế độ kỹ thuật, với các mốc quan trọng có thể được xác minh và tái tạo độc lập. Đó là câu chuyện thực sự đằng sau các đột phá mới nhất trong tính toán lượng tử năm 2024.

Triển vọng năm 2025-2026 đã bắt đầu rõ ràng. Google đang hướng tới hoạt động chịu lỗi vượt ra ngoài ngưỡng dưới. Microsoft nhắm tới 50-100 qubit hợp lý rối trong các triển khai thương mại với mục tiêu ứng dụng khoa học vật liệu. Bộ xử lý Starling của IBM hướng tới 100 triệu cổng trên 200 qubit đã sửa lỗi bằng scheme mã Gross. Lĩnh vực không còn hỏi liệu tính toán lượng tử sửa lỗi quy mô lớn có khả thi hay không nữa — năm 2024 đã chứng minh điều đó qua nhiều phương pháp phần cứng khác nhau. Câu hỏi bây giờ là phương pháp nào mở rộng nhanh nhất và khi nào các ứng dụng mới đủ để đầu tư.