Microsoft ra mắt chip lượng tử Majorana 1: Bước tiến đột phá trong điện toán lượng tử

Microsoft gần đây đã công bố một bước tiến đột phá trong lĩnh vực máy tính lượng tử với việc giới thiệu chip Majorana 1. Đây là kết quả của gần hai thập kỷ nghiên cứu và phát triển, đánh dấu một cột mốc quan trọng trong hành trình hướng tới việc xây dựng các máy tính lượng tử ổn định và có khả năng mở rộng cao. 

Công nghệ và Thiết kế

Majorana 1 sử dụng qubit tôpô, dựa trên các tính chất tôpô của vật liệu để bảo vệ thông tin lượng tử khỏi nhiễu và hiện tượng mất đồng bộ (decoherence). Khác với các qubit siêu dẫn (được sử dụng bởi IBM và Google) hoặc qubit ion bẫy (IonQ), qubit tôpô của Microsoft được thiết kế để giảm thiểu lỗi một cách tự nhiên nhờ cấu trúc vật liệu đặc biệt.

Thành phần chính của Majorana 1 bao gồm:

• Qubit tôpô: Lưu trữ thông tin trong các sắp xếp không gian, giúp giảm thiểu lỗi do thiết kế.

• Chế độ Majorana zero (MZMs): Các hạt giả (quasiparticle) xuất hiện ở hai đầu của dây nano siêu dẫn, hoạt động ở nhiệt độ 50 mK (-273,1°C) dưới các trường hợp từ trường cụ thể.

• Topoconductor: Là sự kết hợp giữa arsenide indi (chất bán dẫn) và nhôm (chất siêu dẫn), được thiết kế để hình thành MZMs.

• Phương pháp đo kỹ thuật số: Sử dụng các xung điện áp và vi sóng để đọc chính xác trạng thái qubit, đơn giản hóa việc điều khiển so với các phương pháp điều chỉnh tương tự truyền thống.

Quá trình chế tạo Majorana 1 được thực hiện hoàn toàn nội bộ tại các phòng thí nghiệm của Microsoft ở Hoa Kỳ và Đan Mạch, không phụ thuộc vào các bên thứ ba như TSMC. Điều này cho phép Microsoft kiểm soát từng lớp nguyên tử của topoconductor, tạo ra các MZMs dưới các điều kiện nhiệt độ và từ trường cực kỳ khắc nghiệt.

So sánh Kỹ thuật

Dưới đây là bảng so sánh giữa Majorana 1 và các bộ xử lý lượng tử khác tính đến tháng 2 năm 2025:

Khả năng và Hạn chế

Hiện tại, Majorana 1 sở hữu 8 qubit tôpô, nhưng kiến trúc của nó được thiết kế để mở rộng lên đến 1 triệu qubit, vượt qua khả năng tính toán toàn cầu hiện tại. Chip có kích thước nhỏ gọn (cỡ lòng bàn tay) và ổn định nhờ sự bảo vệ tôpô. Tuy nhiên, nó vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, chưa thể thực hiện các thuật toán phức tạp. Các hạn chế bao gồm nhu cầu hoạt động ở nhiệt độ gần như tuyệt đối (-273,1°C) và cần tiếp tục xác nhận khoa học về sự tồn tại và kiểm soát các MZMs. 

Hiệu suất Hiện tại

Majorana 1 là một cột mốc thử nghiệm, tập trung vào việc chứng minh tính khả thi của qubit tôpô. Nó không thực hiện các phép tính thực tiễn, nhưng đã chứng minh khả năng đo lường đáng tin cậy các trạng thái lượng tử bằng cách sử dụng vi sóng, phân biệt giữa 1 tỷ và 1 tỷ lẻ 1 electron. 

Ứng dụng Tiềm năng

Majorana 1 có thể mở ra nhiều ứng dụng đột phá trong các lĩnh vực như:

• Mã hóa: Phá vỡ các hệ thống như RSA và phát triển mã hóa chống lượng tử, có thể cách mạng hóa an ninh kỹ thuật số.

• Mô phỏng lượng tử: Mô hình hóa các phân tử để khám phá thuốc (ví dụ: kháng sinh) và chất xúc tác cho vi nhựa.

• Tối ưu hóa: Giải quyết các vấn đề hậu cần (ví dụ: chuỗi cung ứng) trong thời gian thực.

• Trí tuệ nhân tạo: Tăng tốc độ huấn luyện các mô hình AI cho chẩn đoán y tế tự động.

• Phát triển vật liệu: Tạo ra các vật liệu tự phục hồi và chất xúc tác mới.

Kế hoạch Tương lai

Microsoft dự định tích hợp Majorana 1 vào Azure Quantum vào năm 2025, cung cấp quyền truy cập cho các nhà nghiên cứu, với việc thương mại hóa dự kiến vào năm 2030. Lộ trình bao gồm đạt được 50 qubit