Microsoft gần đây đã ra mắt chip lượng tử thế hệ mới Majorana 2. Công ty tuyên bố rằng thời gian tồn tại trung bình của qubit trên chip này đạt mức ấn tượng 20 giây, độ tin cậy tăng 1000 lần so với thế hệ trước. Dựa trên kết quả này, Microsoft đã đưa ra một tuyên bố mạnh mẽ: "Vào năm 2029, chúng tôi sẽ sở hữu một máy tính lượng tử có thể mở rộng và có giá trị thương mại." Chỉ cách đây một năm, dự đoán chung của ngành vẫn là "mười năm nữa." Giờ đây, Microsoft đã rút ngắn thời gian đó đi một nửa.
Trong quá trình nghiên cứu và phát triển chip này, Microsoft đã tận dụng rất nhiều trí tuệ nhân tạo ủy quyền (agentic AI) từ nền tảng AI của mình "Microsoft Discovery", cho phép nhóm AI phân công hợp tác như một nhóm nghiên cứu con người, tự động phân tích khối lượng dữ liệu thí nghiệm khổng lồ, đưa ra giả thuyết và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Một bên là đột phá phần cứng trong tính toán lượng tử, bên kia là sự hỗ trợ từ phần mềm trí tuệ nhân tạo, hai lĩnh vực tiên phong nhất đang hỗ trợ lẫn nhau.
Chip lượng tử là gì?
Chip lượng tử thao tác trên qubit. Một qubit có thể tồn tại ở trạng thái chồng chập của 0 và 1. Trước khi đo đạc, nó giống như một đồng xu đang quay, đồng thời mang theo khả năng là 0 và 1. Trạng thái chồng chập của hai qubit có thể chứa bốn khả năng: 00, 01, 10, 11. Ba qubit tương ứng với tám khả năng... Cứ tiếp tục như vậy, trạng thái lượng tử của n qubit là không gian 2^n chiều. Sau đó, thông qua các thao tác được thiết kế cẩn thận, các cổng lượng tử (cổng logic trong tính toán lượng tử) thao tác pha của trạng thái lượng tử, làm cho biên độ xác suất giao thoa trong sự chồng chập, từ đó khuếch đại đáp án chính xác. Đây là lý do người ta nói máy tính lượng tử có "sức mạnh tính toán theo cấp số mũ".
Bên cạnh đó, hai qubit vướng víu có một mối liên hệ kỳ lạ: đo một qubit, trạng thái của qubit kia sẽ được xác định tức thời, bất kể chúng cách xa nhau bao nhiêu. Sử dụng những đặc tính lượng tử này, máy tính lượng tử có triển vọng thực hiện những nhiệm vụ mà máy tính cổ điển khó có thể hoàn thành một cách hiệu quả.
Chip lượng tử chính là bộ xử lý chuyên dụng để tạo ra, thao tác và đo đạc những qubit này. Nó không sử dụng bóng bán dẫn truyền thống, mà sử dụng mạch siêu dẫn, ion bị bẫy, photon hay thậm chí vật liệu tôpô để nắm bắt trạng thái lượng tử, khiến chúng tính toán theo logic được con người thiết lập, tức là các cổng lượng tử.
Điểm yếu của chip lượng tử
Mặc dù mạnh mẽ, qubit có một điểm yếu chí mạng là cực kỳ nhạy cảm và cực kỳ mong manh.
Trạng thái chồng chập của một qubit, chỉ cần bị nhiễu loạn một chút từ bên ngoài, chẳng hạn như dao động nhiệt độ, bức xạ điện từ hay tia vũ trụ, sẽ sụp đổ ngay lập tức thành một trạng thái xác định 0 hoặc 1, do đó mất khả năng tính toán song song. Hiện tượng này được gọi là sự mất kết hợp (decoherence).
Trước chip Majorana 1 của Microsoft, tuổi thọ của qubit siêu dẫn chủ lưu thường chỉ vào khoảng vài chục micro giây. Nghĩa là, vừa chuẩn bị xong, chưa tính được mấy bước, nó đã "chết". Do đó, một chỉ số then chốt để đánh giá chip lượng tử tốt hay xấu là tuổi thọ của qubit, còn gọi là thời gian kết hợp.
Tuyên bố tuổi thọ qubit đạt 20 giây của Microsoft lần này đã tạo ra phản ứng dữ dội như động đất trong ngành. Bởi vì đối với các thao tác lượng tử, 20 giây đã là một con số thiên văn. Hãy nhớ rằng, việc thực hiện một thao tác cổng lượng tử chỉ cần một micro giây (một phần triệu giây). 20 giây có nghĩa là có thể thực hiện hai mươi triệu lần thao tác, về mặt lý thuyết là đủ để chạy các thuật toán lượng tử khá phức tạp. Microsoft thậm chí đưa ra một ví dụ sinh động: "Cải tiến này gần tương đương với việc phát minh ra một loại pin điện thoại mới, trong khi điện thoại trước đây chỉ dùng được một ngày, thì bây giờ sạc một lần có thể dùng gần ba năm."
20 giây chỉ là mức trung bình, một số qubit thậm chí có thể duy trì trong một phút. Trong khi đó, tuổi thọ của thế hệ trước Majorana 1 chỉ đạt mức mili giây, vì vậy Microsoft mới nói "độ tin cậy tăng 1000 lần".
Vậy, Microsoft đã làm được điều đó như thế nào? Câu trả lời ẩn trong lộ trình công nghệ của họ: tính toán lượng tử tôpô.
Vũ khí bí mật của Microsoft: Qubit tôpô
Hầu hết chip lượng tử chủ lưu, như của Google, IBM, sử dụng qubit siêu dẫn. Công nghệ này tương đối trưởng thành, nhưng để tránh nhiễu môi trường, cần nhiệt độ cực thấp, gần độ không tuyệt đối -273°C, và tuổi thọ ngắn, dễ xảy ra lỗi.
Microsoft đã dành 20 năm đi theo một con đường khác khó khăn hơn, nhưng về mặt lý thuyết có lợi thế hơn: qubit tôpô.
Trên một tờ giấy, đục một hoặc hai lỗ, vò giấy lại, tờ giấy sẽ biến dạng, nhưng các lỗ vẫn ở đó, một lỗ không thể biến thành hai lỗ, hai lỗ không thể biến thành một lỗ, số lỗ trên giấy là một bất biến tôpô. Lại ví dụ như bện hai sợi dây thừng với nhau, thứ tự mà các sợi dây trao đổi vị trí cho nhau cũng là một bất biến tôpô. Qubit tôpô chính là sử dụng tính bất biến tôpô để bảo vệ thông tin qubit, thông tin không được lưu trữ trên các hạt cụ thể, mà được lưu trữ trong kết cấu bện được tạo thành từ việc trao đổi vị trí giữa các giả hạt (một dạng kích thích tập thể của hệ hạt). Cách lưu trữ này là không định xứ (non-local), nghĩa là các nhiễu loạn nhỏ như tiếng ồn và nhiệt lượng khó có thể phá hủy cấu trúc tôpô tổng thể. Do đó, qubit tôpô vốn dĩ đã ít nhạy cảm với nhiễu môi trường, tính ổn định vượt xa các loại qubit khác.
Loại giả hạt mà Microsoft sử dụng có một cái tên huyền thoại: hạt Majorana. Năm 1937, nhà vật lý người Ý Ettore Majorana đã dự đoán về một loại fermion kỳ lạ, mà phản hạt của chính nó là bản thân nó. Hiện tại loại hạt này vẫn chưa được tìm thấy. Đầu thế kỷ 21, các nhà khoa học bắt đầu tìm kiếm một mô phỏng của nó trong vật lý vật chất ngưng tụ: một loại giả hạt gọi là mode năng lượng zero Majorana. Khi các mode năng lượng zero Majorana trao đổi vị trí trong không gian hai chiều, trạng thái lượng tử tổng thể sẽ thay đổi, thứ tự trao đổi ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng, tương tự như cách bện tóc khác nhau, cuối cùng sẽ tạo ra những bím tóc khác nhau.
Năm 1997, nhà vật lý Alexei Kitaev, khi đang làm việc tại Viện Landau ở Nga, lần đầu tiên đề xuất lý thuyết sử dụng hạt Majorana cho tính toán lượng tử tôpô. Năm 2005, Microsoft thành lập StationQ, Kitaev khi đó là một trong những thành viên cốt lõi, và Microsoft từ đó dấn thân vào con đường công nghệ này, mất gần 20 năm. Năm 2025, Microsoft ra mắt chip Majorana thế hệ đầu tiên, chứng minh tính khả thi về nguyên lý của qubit tôpô. Họ đã cách mạng hóa bằng cách sử dụng chất siêu dẫn tôpô, có thể tạo ra một trạng thái vật chất hoàn toàn mới, từ đó thực hiện tính toán lượng tử ổn định hơn. Majorana 2 ngày nay là việc biến nguyên lý thành bước nhảy vọt hiệu suất thực tế.
Một trong những cải tiến then chốt là thay đổi vật liệu: chất siêu dẫn tôpô của chip Majorana thế hệ đầu sử dụng nhôm làm vật liệu, thế hệ thứ hai đổi sang chì. Bản thân chì thường được dùng làm vật liệu chắn bức xạ, sử dụng nó làm chất siêu dẫn có thể làm dày thêm lá chắn của qubit, bảo vệ trạng thái lượng tử mong manh khỏi sự can thiệp của tia vũ trụ. Thay đổi nghe có vẻ không mang tính đột phá này, cùng với việc AI tối ưu hóa hàng trăm tham số quy trình, cuối cùng đã mang lại sự cải thiện độ tin cậy 1000 lần.
Tuy nhiên, hiện tại Majorana 2 chỉ tích hợp 12 qubit. Để đạt được máy tính lượng tử đa dụng có giá trị thương mại, giới chuyên môn thường cho rằng cần ít nhất hàng triệu qubit. Từ 12 đến 1 triệu, ở giữa còn vô số vấn đề kỹ thuật và vật lý cần phải vượt qua. Microsoft dám nói năm 2029, cho thấy họ rất tự tin vào lộ trình tôpô của mình, bởi vì về mặt lý thuyết, chi phí sửa lỗi của qubit tôpô thấp hơn nhiều so với các phương án chủ lưu khác, một khi được đưa vào thực tế, có triển vọng ra mắt nhanh hơn các phương án khác.
AI lập công: Agentic AI đã thúc đẩy nghiên cứu chip lượng tử như thế nào
Lý do Microsoft lần này có thể đạt được bước nhảy vọt về độ tin cậy 1000 lần, còn có một yếu tố "hỗ trợ" không thể bỏ qua: agentic AI. Microsoft sở hữu nền tảng Microsoft Discovery. Khả năng cốt lõi của nền tảng này là triển khai agentic AI, tức là nhiều tác nhân AI có thể đảm nhận các vai trò khác nhau, chẳng hạn như nhân viên phân tích dữ liệu, nhà thiết kế thí nghiệm, nhà nghiên cứu tài liệu, và dưới sự hướng dẫn của các nhà khoa học con người, tự chủ hoàn thành quy trình công việc nghiên cứu.
Mọi chuyện bắt đầu từ vật liệu cốt lõi nhất của chip Majorana. Thế hệ đầu Majorana sử dụng nhôm làm chất siêu dẫn, trong khi thế hệ thứ hai đổi sang chì. Việc thay đổi vật liệu ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống, nhóm đã mất nhiều năm mới tìm ra các cân nhắc khác nhau. Để tìm ra công thức pha tạp chính xác đó, cần hàng trăm đến hàng nghìn lần thí nghiệm. Còn bây giờ, AI trước tiên thông qua mô phỏng để khoanh vùng mục tiêu có xác suất cao, trong điều kiện lý tưởng, chỉ cần thí nghiệm một lần.
Đây mới chỉ là bắt đầu. Việc sản xuất chip lượng tử liên quan đến vô số khâu như phần mềm, kiến trúc, chồng vật liệu, quy trình, đo lường, một tham số thay đổi có thể gây ra phản ứng dây chuyền. Kỹ sư con người khó có thể đồng thời theo dõi tất cả biến số, nhưng các agent AI thì có thể. Quan trọng hơn, nhóm lượng tử của Microsoft đã tích lũy gần hai mươi năm dữ liệu thí nghiệm khổng lồ, định dạng đa dạng, phân tán trong tay các nhà khoa học ở các quốc gia khác nhau, với nền tảng chuyên môn khác nhau. Agent AI có thể tổng hợp lại và tìm ra những mối liên hệ mà con người chúng ta không nhìn thấy, bởi vì không một cá nhân nào có tầm nhìn rộng lớn đến vậy.
Một vũ khí lợi hại khác của AI là tăng tốc thí nghiệm. Tạo trạng thái lượng tử tôpô cần đồng thời điều chỉnh hàng trăm tham số điện áp, sau đó tiến hành đo lường, và đo lường chính là khâu tốn thời gian và tinh tế nhất trong tính toán lượng tử. Trước đây, một nhà khoa học thực hiện thủ công một vòng đo lường có thể mất vài tuần. Nhóm đã từng thử nghiệm tự động hóa bằng phương pháp học máy sơ khai, nhưng không thành công. Cho đến khi họ sử dụng nền tảng Microsoft Discovery để huấn luyện một agent AI chuyên dụng, rút ngắn toàn bộ chu kỳ xuống vài bậc độ lớn. AI có thể quét song song toàn bộ không gian tham số, tự động đánh giá vị trí nào là điểm thấp nhất mà mọi thứ có thể vận hành bình thường, sau đó xác định vị trí chính xác.
Cuối cùng, AI còn giúp nhóm giải quyết vấn đề "tiếng ồn ma". Có một lần, dữ liệu thí nghiệm luôn không ổn định, các nhà khoa học đã kiểm tra rất lâu mà không tìm ra manh mối. Sau đó, một agent AI đã tổng hợp mô hình vật lý, nhật ký thiết bị và kiến thức quy trình, từ dữ liệu thô đã tìm ra một cảm biến nhiệt độ chưa được hiệu chuẩn, nó luôn âm thầm phá hỏng kết quả đo lường.
Có thể nói, nếu không có sự tham gia của AI, bước nhảy vọt hiệu suất 1000 lần của Majorana 2 có thể phải mất thêm vài năm nữa mới đạt được. Điều này cũng khẳng định một nhận thức đang hình thành: tính toán lượng tử và trí tuệ nhân tạo có thể hỗ trợ lẫn nhau. AI thúc đẩy nghiên cứu và phát triển phần cứng tính toán lượng tử, máy tính lượng tử trong tương lai lại hỗ trợ ngược lại AI, cung cấp sức mạnh tính toán theo cấp số mũ cho học máy.
Liệu có thể trở thành hiện thực?
Trong đấu trường này, Microsoft không phải là người chơi duy nhất. Con đường đến "bờ bên kia lượng tử" không chỉ có chip lượng tử tôpô, mà còn có chip lượng tử siêu dẫn, chip lượng tử ion bị bẫy, chip lượng tử photon và qubit spin silicon. Các chính phủ cũng đang tăng cường đầu tư. Trung Quốc có bố trí quy mô lớn trong cả lĩnh vực truyền thông lượng tử và tính toán lượng tử; Mỹ cấp rất nhiều tài trợ cho các công ty tính toán lượng tử; Liên minh châu Âu cũng đã khởi động chương trình "Cờ đầu Lượng tử".
Năm 2029, liệu Microsoft có thực sự có thể tạo ra máy tính lượng tử thương mại cấp độ? Giáo sư vật lý Paul Stevenson từ Đại học Surrey, Vương quốc Anh, nhận xét rằng, trong việc chế tạo qubit đáng tin cậy, Microsoft dường như đã đạt được đột phá. Nếu kết quả chịu được kiểm chứng, thời hạn này nghe có vẻ hợp lý. Nhưng đồng thời, cũng có không ít nhà khoa học muốn xem thêm dữ liệu chi tiết đã qua bình duyệt đồng nghiệp, vì các bài báo liên quan mà Microsoft công bố lần này vẫn chưa hoàn thành quá trình bình duyệt đồng nghiệp.
Tất nhiên, đằng sau tuyên bố cao ngạo và sự hân hoan của Microsoft, cũng có một số vấn đề đáng để suy ngẫm một cách bình tĩnh. Thứ nhất, 20 giây có đủ dùng không? Tuổi thọ qubit 20 giây, so với vài chục micro giây, quả thực là bước nhảy vọt đáng kinh ngạc. Nhưng các thuật toán lượng tử cấp độ thực tế cần hàng trăm triệu thao tác cổng lượng tử. Ngay cả tính theo một micro giây một lần, 20 giây cũng chỉ có thể chạy hai mươi triệu bước, cách xa con số cần thiết để phá mật mã RSA, mô phỏng chính xác phân tử thuốc còn vài bậc độ lớn. Cần biết rằng sự mất kết hợp là giới hạn do định luật vật lý đặt ra, là thứ mà kỹ thuật công nghệ không bao giờ có thể thoát khỏi hoàn toàn. Thứ hai, vấn đề chi phí biên dịch. Mỗi lần sử dụng máy tính lượng tử giải quyết một vấn đề, trước tiên đều phải thực hiện một bộ biên dịch trên máy tính cổ điển, dịch vấn đề thành mạch lượng tử cụ thể, sau đó dựa trên tham số chip lượng tử để giải phương trình nhằm thu được chuỗi xung điện từ tương ứng với cổng lượng tử. Quá trình biên dịch này không phổ quát, mỗi lần một bản biên dịch, và bản thân quá trình biên dịch tiêu hao sức mạnh tính toán của máy tính cổ điển có thể gần bằng, thậm chí vượt quá chi phí giải trực tiếp bằng phương pháp cổ điển. Thứ ba, nếu câu trả lời do máy tính lượng tử đưa ra sai thì sao? Con người không thể dùng máy tính cổ điển để kiểm chứng, nếu có thể kiểm chứng, thì cũng không cần đến máy tính lượng tử nữa. Cuối cùng câu trả lời sai, cũng không biết sai ở đâu.
Giấc mơ xây dựng máy tính lượng tử thương mại cấp độ, giống như một chiếc ủng treo lơ lửng trên không, mãi không thể chạm đất. Một ngày nào đó dù có chạm đất, có lẽ cũng chỉ là một tiếng động ù ỳ. Nhìn lại lịch sử khoa học, tiến bộ công nghệ đôi khi giống như "vô tâm trồng liễu liễu xanh tươi, hữu tâm trồng hoa hoa không nở". Những thứ được kỳ vọng nhiều, chưa chắc đã thực hiện được, còn lối thoát và đột phá, có lẽ lại nằm ở những chỗ bất ngờ.
Tài liệu tham khảo
https://news.microsoft.com/source/features/innovation/majorana-2-microsoft-discovery-agentic-ai/
https://www.bluequbit.io/blog/quantum-chips
https://www.bbc.com/news/articles/cj4p7gyvp52o
https://zhuanlan.zhihu.com/p/2035004303467917427?share_code=14f9XN3e5wlBq&utm_psn=2035105136662553502&utm_source=wechat_session&utm_medium=social&s_r=0&wechatShare=1
Bài viết từ tài khoản WeChat công chúng: 心智观察所 , tác giả: 心智观察所
