Bộ Năng lượng Mỹ treo thưởng xây máy tính lượng tử chịu lỗi vào năm 2028, nhưng tiền ứng trước chỉ 250.000 USD

Bộ Năng lượng Mỹ (DoE) vừa khởi động cuộc thi Quantum Genesis Q với mục tiêu rất tham vọng: tạo ra một máy tính lượng tử “chịu lỗi” và có giá trị khoa học thực tế vào năm 2028. “Chịu lỗi” hay fault-tolerant là khái niệm chỉ hệ thống có thể tiếp tục tính toán chính xác ngay cả khi các qubit – đơn vị thông tin cơ bản của máy tính lượng tử – vốn cực kỳ mong manh và dễ phát sinh sai số. DoE gọi đích đến này là SRQC, viết tắt của scientifically relevant quantum computer, tức máy tính lượng tử đủ năng lực để giải các bài toán khoa học có ý nghĩa, thay vì chỉ dừng ở mức trình diễn công nghệ.

Theo kế hoạch, chương trình có thể nhận tối đa 215 triệu USD tiền tài trợ, dù khoản này còn phụ thuộc vào phê duyệt ngân sách từ Quốc hội Mỹ. Tuy nhiên, đây không phải kiểu rót vốn toàn bộ ngay từ đầu. DoE sẽ chia tiền theo các mốc hoàn thành, nghĩa là các nhóm tham gia chỉ nhận thêm kinh phí khi chứng minh được tiến độ kỹ thuật. Tối đa 10 đội có thể được chọn ở giai đoạn đầu, mỗi đội đủ điều kiện nhận tới 1,5 triệu USD. Nhưng phần lớn số tiền đó sẽ bị giữ lại cho đến khi họ bàn giao một nguyên mẫu đã được xác thực sau khoảng một năm.

Điểm gây chú ý nhất là mỗi đội chỉ nhận trước 250.000 USD nếu kế hoạch kiểm định và xác minh được DoE thông qua. Với một lĩnh vực đắt đỏ như điện toán lượng tử – nơi chi phí phần cứng, làm lạnh, điều khiển tín hiệu và nhân lực chuyên sâu đều rất cao – con số này bị xem là khá khiêm tốn. Những đội vượt qua mốc nguyên mẫu sẽ được bước vào giai đoạn tiếp theo, nơi họ cạnh tranh để chia quỹ khuyến khích 100 triệu USD nhằm tiến tới cỗ máy SRQC thế hệ đầu tiên vào mùa thu năm 2028.

Chuẩn tham chiếu mà DoE đưa ra cho nguyên mẫu là ít nhất 10 qubit logic có thể thực hiện 10^3 “hard operations”. Qubit logic là qubit được xây dựng từ nhiều qubit vật lý để tự sửa lỗi, giúp hệ thống ổn định hơn so với việc dùng trực tiếp qubit vật lý. Còn “hard operations” có thể hiểu là các phép toán lượng tử đủ phức tạp và đủ khó để phản ánh năng lực xử lý thực tế của hệ thống, thay vì những thao tác đơn giản mang tính trình diễn. Với cỗ máy SRQC hoàn chỉnh, mục tiêu tăng lên ít nhất 100 qubit logic có thể thực hiện 10^5 hard operations trong điều kiện có khả năng chịu lỗi.

Thoạt nhìn, mục tiêu của DoE có thể khiến nhiều người thắc mắc vì ngành này từng công bố các hệ thống có số qubit lớn hơn nhiều. Chẳng hạn, các nhà nghiên cứu Caltech năm ngoái đã trình diễn một mảng 6.100 qubit. Nhưng đó là qubit vật lý, không phải qubit logic. Sự khác biệt này rất quan trọng: qubit vật lý dễ bị nhiễu bởi ánh sáng, âm thanh, thay đổi nhiệt độ, thậm chí bởi hoạt động của các qubit khác. Những yếu tố đó làm xuất hiện lỗi trong quá trình tính toán. Qubit logic ra đời để khắc phục vấn đề này bằng cách gom nhiều qubit vật lý thành một cấu trúc có thể phát hiện và sửa sai.

Hiện giới nghiên cứu đã chứng minh được nhiều kỹ thuật sửa lỗi lượng tử, nhưng chưa ai xây dựng thành công một cỗ máy chịu lỗi ở quy mô và mức hữu dụng khoa học như DoE mong muốn. Nói cách khác, thách thức không chỉ là tăng số lượng qubit, mà còn phải giữ cho chúng hoạt động ổn định đủ lâu, đủ chính xác và đủ nhất quán để chạy các phép tính có giá trị thực tế. Đây là lý do cuộc đua điện toán lượng tử vẫn thường bị xem là “luôn chỉ còn vài năm nữa” dù đã được hứa hẹn suốt thời gian dài.

Trong số các công ty có thể phù hợp với mục tiêu của DoE, QuEra là cái tên đáng chú ý. Công ty này cùng các đối tác nghiên cứu đã trình diễn một kiến trúc sử dụng tới 96 qubit logic, vượt xa cột mốc 10 qubit logic của nguyên mẫu và tiến sát mục tiêu 100 qubit logic cho hệ thống SRQC đầu tiên. QuEra cũng cho biết họ dự kiến ra mắt hệ thống Libra vào năm 2028 với hơn 256 qubit logic và tỷ lệ lỗi logic 10^-6. Tỷ lệ lỗi logic là thước đo cho biết xác suất một qubit logic mắc lỗi trong quá trình vận hành; con số càng nhỏ thì hệ thống càng đáng tin cậy. Dù chỉ số “hard operations” của DoE và tỷ lệ lỗi logic của QuEra không thể quy đổi trực tiếp cho nhau, trên lý thuyết Libra vẫn nằm trong vùng hiệu năng tương đối gần với mục tiêu mà chính phủ Mỹ đề ra.

Ngay cả khi đã có vài ứng viên sáng giá, yêu cầu của DoE vẫn bị xem là rất nặng tay so với mức hỗ trợ ban đầu. Điện toán lượng tử thương mại vẫn là lĩnh vực chưa có lời giải chắc chắn về thời điểm bùng nổ, và việc chính phủ Mỹ đặt ra thêm một hạn chót táo bạo không đồng nghĩa toàn ngành sẽ kịp về đích. Quantum Genesis Q vì thế vừa là cú hích chính sách, vừa là phép thử thực tế: liệu vài trăm nghìn USD tiền ứng trước và một lịch trình gấp gáp có đủ để kéo một công nghệ còn đầy bất định tiến gần hơn tới cột mốc sử dụng ngoài phòng thí nghiệm hay không.