Phương pháp đột phá đưa máy tính lượng tử đến gần thực tiễn hơn

Tối ưu hóa mô phỏng electron trên máy tính lượng tử

Theo ArsTechnica, một nhóm nghiên cứu từ Đại học California, Berkeley và Đại học Harvard (Mỹ) đã phát triển một phương pháp đột phá, cho phép mô phỏng hành vi của electron trong các phân tử nhỏ, như chất xúc tác, một cách hiệu quả hơn trên máy tính lượng tử (Quantum Computer). Phương pháp này không chỉ giảm bớt yêu cầu phần cứng mà còn mở ra tiềm năng sử dụng máy tính lượng tử để giải quyết các bài toán khoa học phức tạp sớm hơn so với dự kiến.

Electron trong chất xúc tác có vai trò quyết định các phản ứng hóa học. Tuy nhiên, để mô phỏng đầy đủ các trạng thái của electron và tương tác của chúng, cần một lượng lớn qubit (viết tắt của quantum bit – đơn vị thông tin cơ bản trong máy tính lượng tử, tương tự như bit trong máy tính truyền thống) cùng các thao tác phức tạp. Điều này đòi hỏi phần cứng máy tính lượng tử phải đạt đến mức độ vượt xa hiện nay.

Nhóm nghiên cứu đã giải quyết bài toán bằng cách sử dụng máy tính truyền thống để đơn giản hóa các yếu tố không quan trọng trong hệ thống phân tử. Cụ thể, họ tập trung vào các trạng thái năng lượng thấp nhất, nơi các spin (góc quay) chưa ghép cặp của electron tương tác mạnh mẽ nhất. Sau đó, các thông số được đưa vào máy tính lượng tử để mô phỏng chi tiết hành vi của hệ electron.

Lợi thế từ công nghệ nguyên tử trung hòa

Một phát hiện quan trọng trong nghiên cứu này là tiềm năng của máy tính lượng tử dựa trên công nghệ nguyên tử trung hòa. Trong các máy tính lượng tử thông thường, các phép tính chỉ được thực hiện thông qua các cổng một qubit hoặc hai qubit. Điều này không chỉ làm tăng thời gian tính toán mà còn dẫn đến nhiều lỗi hơn.

Nhờ khả năng di chuyển các nguyên tử trung hòa để tạo thành cụm, công nghệ này cho phép thực hiện các phép tính với nhiều qubit cùng lúc, giảm thiểu đáng kể số thao tác cần thiết. Kết quả là, mô phỏng có thể được thực hiện nhanh hơn và ít lỗi hơn, ngay cả khi sử dụng các máy tính lượng tử chưa đạt mức lỗi cực thấp như mong muốn.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm phương pháp này trên cụm phân tử Mn4O5Ca, một chất tham gia vào quá trình quang hợp. Kết quả cho thấy họ có thể tính toán chính xác “bậc thang spin” – danh sách các trạng thái năng lượng thấp nhất mà electron có thể chiếm giữ. Những thông tin này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về tính chất của phân tử mà còn có thể ứng dụng vào nghiên cứu các vật liệu mới.

Hướng đi mới cho máy tính lượng tử

Phương pháp mới mang lại hai đóng góp lớn cho lĩnh vực máy tính lượng tử. Thứ nhất, nó cho thấy máy tính lượng tử có thể được sử dụng để giải quyết các bài toán lượng tử phức tạp hơn so với khả năng của máy tính truyền thống. Thứ hai, nhờ tối ưu hóa thuật toán và công nghệ phần cứng, các ứng dụng thực tiễn của máy tính lượng tử có thể xuất hiện sớm hơn dự kiến.

Mặc dù máy tính lượng tử hiện tại vẫn gặp thách thức về tỷ lệ lỗi, phương pháp này cho thấy không cần giảm đáng kể lỗi phần cứng để thực hiện các mô phỏng phức tạp. Điều này đồng nghĩa với việc các nhà khoa học có thể bắt đầu ứng dụng máy tính lượng tử vào các nghiên cứu hóa học, vật liệu học và sinh học trong tương lai gần.

Máy tính lượng tử không chỉ đơn thuần là một công cụ tính toán mạnh mẽ hơn, mà còn là bước đột phá trong việc giải quyết các vấn đề mà máy tính truyền thống không thể làm được. Nghiên cứu này cho thấy tiềm năng to lớn của công nghệ lượng tử khi kết hợp các phương pháp thông minh với nền tảng phần cứng tiên tiến. Với những bước tiến như thế, máy tính lượng tử đang ngày càng đến gần với thực tiễn.