Tôi đã theo dõi lĩnh vực tính toán lượng tử khá lâu rồi, và tôi phải nói — 2024 thực sự khác biệt so với chu kỳ hype thường lệ. Mỗi năm đều có một số thông báo nghe có vẻ thay đổi thế giới, rồi chẳng đi đến đâu. Năm ngoái cảm giác khác hẳn. Trong vòng vài tháng, ba nhóm hoàn toàn riêng biệt sử dụng các phương pháp hoàn toàn khác nhau đều đạt các mốc quan trọng cùng lúc. Khi điều đó xảy ra trên các kiến trúc phần cứng khác nhau, thực sự có ý nghĩa. Lĩnh vực này đang tiến lên, không chỉ quay vòng bánh xe. Hãy để tôi phân tích rõ những gì thực sự đã xảy ra và tại sao điều đó quan trọng.

Hãy bắt đầu với thông báo Willow của Google vào tháng 12 năm 2024. Thông báo này thu hút tất cả sự chú ý, và thành thật mà nói, cũng có lý do chính đáng. Họ đã xây dựng một bộ xử lý 105 qubit tại cơ sở ở Santa Barbara và trình diễn một điều mà các nhà nghiên cứu đã theo đuổi suốt gần 30 năm. Điều cốt lõi: thêm nhiều qubit hơn thực sự làm giảm tỷ lệ lỗi thay vì tăng. Tôi biết điều đó nghe có vẻ cơ bản, nhưng không phải vậy. Vấn đề lớn của tính toán lượng tử suốt nhiều thập kỷ là các hệ thống lớn hơn thường ồn hơn. Bạn xây dựng nhiều qubit hơn, lỗi sẽ tích tụ và lan rộng hơn trong toàn bộ hệ thống. Willow đã phá vỡ mô hình đó bằng kiến trúc sửa lỗi của họ. Họ đạt được trạng thái hoạt động dưới ngưỡng — điểm mà quy mô thực sự giúp ích thay vì gây hại.

Họ đã công bố các chi tiết kỹ thuật trên tạp chí Nature, điều này quan trọng vì các tuyên bố về tính toán lượng tử trước đó đã gặp phản đối hợp lệ. Việc công khai phương pháp để kiểm tra là một sự khác biệt thực sự. Thước đo họ thực hiện cùng với đó nhanh chóng nổi tiếng — Willow giải một phép tính cụ thể trong chưa đầy năm phút, trong khi máy tính siêu cổ điển tốt nhất hiện nay sẽ mất 10 septilion năm. Đó là 10 mũ 25. Gần như một triệu lần tuổi của vũ trụ hiện tại. Hartmut Neven, người sáng lập Google Quantum AI từ năm 2012, gần như nói rằng họ đã vượt qua điểm hòa vốn.

Tuy nhiên, phần chân thực là: thử nghiệm của Willow vẫn còn hạn chế. Nó chứng minh rằng một số phép tính nhất định là không thể thực hiện bằng máy tính cổ điển đối với chip này, nhưng điều đó chưa có nghĩa là Willow có thể chạy các ứng dụng như khám phá thuốc hay mô hình khí hậu ngay lập tức. Giá trị thực sự mang tính kiến trúc — nó cho thấy rằng tính toán lượng tử sửa lỗi quy mô lớn không còn chỉ là lý thuyết nữa. Đó là một con đường kỹ thuật có thể xây dựng được.

Nhưng Willow không đơn độc trong năm 2024. Tám tháng trước thông báo đó, Microsoft và Quantinuum đã công bố một điều ít được truyền thông rộng rãi hơn nhưng thu hút nhiều sự chú ý từ các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực. Họ đã trình diễn các qubit logic với tỷ lệ lỗi thấp hơn 800 lần so với các qubit vật lý mà chúng được xây dựng từ đó. Đây là điểm khác biệt chính mà không ai thực sự nói đến ngoài cộng đồng nghiên cứu. Qubit vật lý là phần cứng thực tế — chúng ồn, nhạy cảm với nhiệt độ, rung lắc, mọi thứ. Qubit logic được xây dựng bằng cách kết hợp nhiều qubit vật lý thành một cấu trúc lưu trữ thông tin dư thừa để có thể phát hiện và sửa lỗi mà không phá hủy tính toán. Vấn đề luôn là: để xây dựng qubit logic, cần rất nhiều qubit vật lý, khiến chi phí quá cao và không khả thi. Giảm tỷ lệ lỗi 800 lần đột nhiên làm cho qubit logic trở nên khả thi hơn thay vì chỉ là lý thuyết.

Microsoft còn tiến xa hơn nữa vào tháng 11 năm 2024. Họ hợp tác với Atom Computing, tạo ra và liên kết 24 qubit logic bằng cách sử dụng các nguyên tử ytterbium trung tính siêu lạnh — một kỷ lục khác. Họ đạt độ chính xác của cổng là 99.963% cho các phép toán qubit đơn và 99.56% cho các cổng hai qubit. Phương pháp nguyên tử trung tính sử dụng laser làm lạnh các nguyên tử và giữ chúng cố định bằng kẹp quang học. Hoàn toàn khác biệt về phần cứng so với phương pháp siêu dẫn của Google. Điều này quan trọng vì nó cho thấy nhiều con đường khả thi cùng tiến trình hướng tới tính toán lượng tử chịu lỗi. Lĩnh vực này không đặt cược tất cả vào một phương pháp duy nhất.

Sau đó, Quantinuum còn tiến xa hơn nữa. Họ đã liên kết 50 qubit logic vào tháng 12 năm 2024 — một kỷ lục khác. Thời kỳ qubit logic không còn là điều của tương lai nữa. Nó đang diễn ra ngay bây giờ.

Đóng góp của IBM trong năm 2024 ít ồn ào hơn nhưng cũng quan trọng không kém nếu bạn quan tâm đến nguồn gốc của tính toán lượng tử thực tế. Tháng 11, họ giới thiệu bộ xử lý Heron R2 — 156 qubit, thế hệ thứ hai của kiến trúc Heron. Số lượng qubit ít quan trọng hơn so với những gì đã xảy ra với hiệu năng. Tỷ lệ lỗi cổng 2Q giảm xuống còn 8×10^-4. Hệ thống giờ đây có thể thực thi các mạch lượng tử với tối đa 5.000 phép toán cổng hai qubit. Các khối lượng công việc từng mất hơn 120 giờ trên phần cứng tốt nhất của họ giờ chỉ mất khoảng 2,4 giờ. Gần như tăng tốc 50 lần.

Trong đầu năm 2024, IBM cũng hoàn thành thử thách tự đặt ra là 100×100 — chạy một mạch 100 qubit với độ sâu 100 trong vòng vài giờ. Đây là tính toán quy mô tiện ích. Một thứ không thể giải quyết bằng brute-force cổ điển. Nó thể hiện tiến bộ có tính đo đếm được, từng bước mà IBM đã xây dựng danh tiếng.

Kết quả quan trọng hơn của IBM trong năm 2024 là trong một bài báo của Nature về một mã sửa lỗi mới gọi là mã bivariate bicycle qLDPC. Sửa lỗi lượng tử truyền thống dùng mã bề mặt cần khoảng 3.000 qubit vật lý để mã hóa một qubit logic đáng tin cậy. Mã mới của IBM đạt hiệu quả tương đương chỉ với 144 qubit dữ liệu cộng thêm 144 qubit phụ trợ — giảm 10 lần chi phí. Đạt được hiệu quả như vậy khiến tính toán lượng tử chịu lỗi không còn xa vời nữa mà trở thành một vấn đề kỹ thuật có thể giải quyết rõ ràng.

Phần mà ít người nhắc đến nhưng lại quan trọng không kém là: Tháng 8 năm 2024, NIST chính thức công bố các tiêu chuẩn mã hóa lượng tử hậu-quantum 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 này do các nhà mật mã của IBM Research ở Zurich phát triển. Tại sao điều này lại quan trọng đối với các đột phá trong tính toán lượng tử? Bởi đây là sự thừa nhận rõ ràng đầu tiên của một tổ chức tiêu chuẩn toàn cầu rằng máy tính lượng tử đủ khả năng phá vỡ mã hóa hiện tại không còn chỉ 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 xuất hiện. Thời gian chuyển đổi từ công bố tiêu chuẩn đến triển khai rộng rãi thường là một thập kỷ hoặc hơn. Quyết định của NIST năm 2024 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 pháp mã hóa hiện tại bảo vệ ví và giao dịch cuối cùng rồi cũng sẽ cần các giải pháp chống lượng tử. Đó không phải là chuyện có thể hay không, mà là chuyện khi nào.

Vậy, năm 2024 thực sự chứng minh điều gì và điều gì chưa? Sẽ dễ dàng đọc tất cả những điều này và nghĩ rằng tính toán lượng tử đã đến rồi. Nhưng không hoàn toàn đúng, và các nhà nghiên cứu liên quan đã rõ ràng về điều đó. Willow chưa chạy các ứng dụng khám phá thuốc. Nó chỉ chứng minh sửa lỗi dưới ngưỡng và một thước đo. Khoảng cách giữa điều đó và tính toán thương mại có ích vẫn còn rất lớn. 50 qubit logic của Quantinuum có thể phát hiện lỗi, nhưng 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 sử dụng nguyên tử trung tính cần hệ thống laser cực kỳ tinh vi chưa tồn tại ở quy mô lớn. Heron R2 của IBM là hệ thống được triển khai thực tế nhất trong số các hệ thống 2024. Nó nằm trong đám mây lượng tử của IBM, khách hàng doanh nghiệp đang chạy các khối lượng công việc trên đó, và thước đo 100×100 thể hiện kết quả quy mô tiện ích. Nhưng bộ xử lý Starling của IBM, hệ thống sửa lỗi hoàn chỉnh đầu tiên, dự kiến ra mắt vào năm 2029.

Điều mà 2024 thực sự chứng minh quan trọng hơn những gì nó chưa làm được là: Lĩnh vực này đã ngừng tiến bộ theo một hướng và bắt đầu tiến bộ theo tất cả các hướng cùng lúc — phần cứng, sửa lỗi, qubit logic, hiệu quả phần mềm, tiêu chuẩn mã hóa. Như một cộng đồng nghiên cứu, nó bắt đầu hành xử ít như vật lý lý thuyết hơn và nhiều như một lĩnh vực kỹ thuật với các mốc quan trọng có thể kiểm chứng và nhân rộng. Những đột phá mới nhất trong tính toán lượng tử 2024 không chỉ về một công ty chiến thắng. Chúng về toàn bộ hệ sinh thái trưởng thành cùng lúc.

Nhìn vào quỹ đạo từ năm 2024 trở đi, câu hỏi không còn là liệu tính toán lượng tử sửa lỗi quy mô lớn có khả thi nữa 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 lý do để đầu tư sẽ xuất hiện nhanh như thế nào. Mốc tiếp theo của Google là đạt được hoạt động hoàn toàn chịu lỗi. Lộ trình của Microsoft hướng tới 50 đến 100 qubit logic liên kết trong các triển khai thương mại trong vài năm tới — đủ để có bước đột phá thực tế trong khoa học vật liệu hoặc hóa học, theo ước tính của họ. Bộ xử lý Starling của IBM được thiết kế để chuyển từ tính toán lượng tử thành lợi thế lượng tử cho các vấn đề thương mại có giá trị.

Hướng đi từ năm 2024 là rõ ràng. Chúng ta không còn hỏi liệu điều này có hoạt động hay không nữa. Chúng ta hỏi con đường nào chiến thắng và nhanh đến mức nào. Đó là một cuộc trò chuyện hoàn toàn khác so với năm năm trước.