Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã chứng minh rằng Zuchongzhi 3.0, một bộ xử lý lượng tử siêu dẫn 105 qubit, đã hoàn thành một nhiệm vụ tính toán phức tạp chỉ trong vài giây. Để so sánh, việc mô phỏng cùng một nhiệm vụ trên siêu máy tính cổ điển mạnh nhất thế giới là Frontier, sẽ mất khoảng 6,4 tỷ năm. Kết quả này đánh dấu một bước nhảy vọt đáng kể về lợi thế tính toán lượng tử, vượt qua tuyên bố năm 2019 của Google về sự thống trị lượng tử với Sycamore, đã hoàn thành một nhiệm vụ tương tự trong 200 giây—một điều mà Google ước tính sẽ mất 10.000 năm để siêu máy tính cổ điển tốt nhất thực hiện.
Sơ đồ mạch của bộ xử lý Zuchongzhi 3.0
Nghiên cứu cho thấy kết quả thiết lập một chuẩn mực mới về lợi thế tính toán lượng tử, công trình này có thể mở ra hướng nghiên cứu về cách tăng số lượng qubit và độ phức tạp của mạch có thể nâng cao hiệu quả trong việc giải quyết các vấn đề thực tế.
Nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc đã thiết kế Zuchongzhi 3.0 với 105 qubit transmon, tăng đáng kể so với người tiền nhiệm Zuchongzhi 2.0. Bố cục của bộ xử lý có dạng lưới hình chữ nhật 15 x 7 qubit, tích hợp 182 bộ ghép nối để tăng cường khả năng kết nối. Các nhà nghiên cứu đã chọn 83 qubit cho thí nghiệm của họ, tối ưu hóa chúng để giảm tỷ lệ lỗi và tăng độ ổn định.
Để đánh giá hiệu suất, nhóm đã tiến hành một thí nghiệm lấy mẫu mạch ngẫu nhiên quy mô lớn. Quá trình này bao gồm thực hiện một chuỗi các hoạt động lượng tử được chọn ngẫu nhiên, sau đó đo lường đầu ra của hệ thống. Các siêu máy tính cổ điển gặp khó khăn trong việc sao chép quá trình này do độ phức tạp theo cấp số nhân của các trạng thái lượng tử.
Kỷ lục trước đây của Google về lấy mẫu mạch ngẫu nhiên liên quan đến hệ thống 67 qubit chạy ở 32 chu kỳ. Nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã tăng độ phức tạp này, chạy thử nghiệm của họ ở độ sâu 32 chu kỳ với 83 qubit. Chi phí tính toán cổ điển để mô phỏng hệ thống này được ước tính cao hơn sáu bậc độ lớn so với thử nghiệm 67 qubit của Google.
Nhóm đã tối ưu hóa thiết kế qubit bằng cách tinh chỉnh các thông số điện dung và mối nối Josephson để giảm nhiễu điện tích. Các cải tiến trong phương pháp chế tạo bao gồm xác định các thành phần qubit bằng phương pháp quang khắc sử dụng tantalum và nhôm liên kết thông qua quy trình lật chip indium, giảm ô nhiễm và cải thiện thời gian kết hợp.
Những cải tiến đã dẫn đến những bước tiến đáng kể về độ ổn định của qubit. Thời gian thư giãn (T1) của bộ xử lý đạt 72 micro giây và thời gian khử pha (T2) được cải thiện lên 58 micro giây. Độ trung thực của cổng qubit đơn được đo ở mức 99,90%, trong khi độ trung thực của cổng hai qubit đạt 99,62%, vượt qua khả năng của các bộ xử lý lượng tử siêu dẫn trước đó.
Nhà vật lý lượng tử Trung Quốc Zhu Xiaobo (Chu Hiểu Ba - bên phải) đang thảo luận với một sinh viên tại một phòng thí nghiệm ở Hợp Phì, tỉnh An Huy, miền đông Trung Quốc, vào ngày 3/3/2025. (ảnh Tân Hoa Xã)
Theo Tân Hoa Xã, nhà thiết kế chính của Zuchongzhi 3.0 là Zhu Xiaobo, ông đã phác thảo lộ trình ba giai đoạn để phát triển máy tính lượng tử thực tế, trong đó giai đoạn đầu tiên chứng kiến Trung Quốc và Mỹ thể hiện khả năng vượt trội hơn siêu máy tính cổ điển, chẳng hạn như lấy mẫu ngẫu nhiên lượng tử chủ yếu thông qua việc mở rộng qubit. Nhưng những tiến bộ này vẫn là những cuộc trình diễn nhỏ lẻ với tác động tối thiểu đến thế giới thực.
Theo ông Zhu, ở giai đoạn thứ hai, các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đang hướng tới mục tiêu xác định một số ứng dụng lượng tử thực tế - như hóa học lượng tử và khám phá thuốc, hiện đang được hỗ trợ phần lớn bởi siêu máy tính và thuật toán AI - trong vòng 5 năm, chuyển những lợi thế lượng tử thành lợi ích năng suất hữu hình.
Giai đoạn thứ ba sẽ bao gồm việc đạt được điện toán lượng tử chịu lỗi phổ quát, đòi hỏi phải giảm tỷ lệ lỗi qubit xuống mức cực thấp. Với tỷ lệ lỗi qubit vật lý hiện tại và các rào cản kỹ thuật, Zhu ước tính cột mốc này vẫn còn cách xa khoảng 15 năm nữa.
Hiện nay, trong giai đoạn đầu phát triển của điện toán lượng tử, những người đi đầu và các phương pháp tiếp cận kỹ thuật tốt nhất vẫn chưa được hợp nhất, nghĩa là "bất kỳ quốc gia nào có khả năng triển khai công nghệ lượng tử đầu tiên sẽ có lợi thế đi đầu", theo báo cáo do Viện nghiên cứu Trung Quốc Mercator công bố vào tháng 12 năm ngoái.
Mặc dù có những tiến bộ về hiệu suất, nghiên cứu này thừa nhận những thách thức đang diễn ra trong việc mở rộng quy mô điện toán lượng tử. Lỗi trong các hoạt động đa qubit vẫn là một rào cản, đặc biệt là khi các mạch ngày càng phức tạp. Các nhà nghiên cứu cũng lưu ý rằng trong khi lấy mẫu mạch ngẫu nhiên đóng vai trò là chuẩn mực cho lợi thế tính toán, nó không trực tiếp chuyển thành giải quyết các vấn đề trong thế giới thực. Đó sẽ là những vấn đề cần phải giải quyết trong tương lai.
