Khi chiếc máy tích hợp và máy tính Số điện tử (ENIAC) lần đầu tiên được đại học Pennsylvania chế tạo cho Quân đội Mỹ vào năm 1946, nó nặng khoảng 30 tấn và sở hữu 18 ngàn bóng đèn chân không lấp đầy một căn phòng rộng lớn. Tốc độ của chiếc máy tính kỹ thuật số đa năng, có thể lập trình đầu tiên đó chỉ vào khoảng 5.000 hertz, nghĩa là nó có thể thực hiện 5.000 phép cộng mỗi giây. Chi phí chế tạo nó tương đương khoảng 9 triệu USD tính theo giá trị đồng tiền ngày nay.

Hiện tại, một chiếc máy tính xách tay thông thường có thể thực hiện hơn 3 tỉ phép tính mỗi giây và chỉ có giá khoảng 1.000 USD.

Điểm mấu chốt là công nghệ thường bắt đầu một cách cồng kềnh, chậm chạp và đắt đỏ. Khi nó trở nên hữu ích hơn, các cải tiến sẽ tăng tốc. Máy tính lượng tử hiện vẫn đang ở giai đoạn "tiền ENIAC," nhưng nó đã ở rất gần việc tạo ra tác động thực sự. Trên thực tế, một cột mốc quan trọng đang đến rất gần, và hàng chục công ty lớn đang chuẩn bị cho bước đột phá này.

Thật dễ dàng bỏ qua tiến trình trong lĩnh vực máy tính lượng tử giữa những âm thanh ồn ào của cuộc cách mạng trí tuệ nhân tạo được thúc đẩy bởi các chip máy tính truyền thống mạnh mẽ của Nvidia, loại sản phẩm thuần thục trong việc mô phỏng hiệu suất mà không gặp phải các nhược điểm kỹ thuật. Tuy nhiên, máy tính lượng tử hứa hẹn sẽ tăng tốc nghiên cứu phát minh thuốc và vật liệu mới, giúp các công ty logistics thiết kế các tuyến đường hiệu quả hơn, cải thiện quản trị rủi ro tài chính và đóng vai trò nòng cốt trong mã hóa cùng an ninh mạng.

Nhưng trước khi có thể làm được bất kỳ điều gì trong số đó, chúng phải khắc phục được bài toán về lỗi.

Máy tính truyền thống sử dụng các bit kỹ thuật số để xử lý thông tin dưới dạng 0 và 1, nhờ vào dòng điện bật hoặc tắt các bóng bán dẫn siêu nhỏ. Trong khi đó, máy tính lượng tử sử dụng các bit lượng tử, hay qubit. Các qubit này có thể mang cả giá trị 0 và 1 cùng một lúc, hiện tượng được gọi là chồng lấp lượng tử (superposition) và mở rộng theo cấp số nhân khi bổ sung thêm các qubit. Ngoài ra, các bit của máy tính truyền thống thực hiện các phép toán theo trình tự, trong khi các qubit khám phá các trạng thái tiềm năng khác nhau cùng một lúc. Tập hợp các giá trị tiềm năng đó là điều làm cho máy tính lượng tử trở nên vô cùng mạnh mẽ, đồng thời cũng là nền tảng giải thích tại sao các cỗ máy này có thể thực hiện các phép tính phức tạp hơn nhiều so với "những người anh em" nhị phân của chúng. Vấn đề là các qubit cực kỳ mong manh và có thể làm cho máy tính lượng tử bị mất thông tin.

Sự rung động, nhiệt độ và thậm chí cả các tia vũ trụ đều có thể dẫn đến sự sụp đổ của trạng thái lượng tử, được tạo ra bởi các hạt tự nhiên hoặc nhân tạo, và phát sinh lỗi. Để chống lại điều này, máy tính lượng tử cần qubit đã được sửa lỗi, còn gọi là qubit logic. Để tạo ra một qubit logic, thông tin được mã hóa trên nhiều qubit để tạo ra độ dư thừa và loại bỏ những qubit bị lỗi. Trong tương lai xa, máy tính lượng tử có thể sở hữu hàng chục ngàn qubit đã được sửa lỗi. Sẽ cần thời gian và có thể là một vài bước đột phá không lường trước được, giống như cách bóng bán dẫn đã thay đổi căn bản máy tính để học cách mở rộng quy mô của những cỗ máy tinh vi này trong khi vẫn kiểm soát được lỗi. Trong thời gian chờ đợi, ngưỡng để trở thành một cỗ máy thực tiễn có khả năng bỏ xa máy tính truyền thống có thể đo lường được, và hầu hết đều nhất trí rằng ngưỡng đó nằm ở mốc 100 qubit logic.

Cột mốc đó có thể đạt được ngay vào năm tới. Quantinuum có kế hoạch ra mắt máy tính Sol vào năm 2027 với 100 qubit logic, vượt qua cỗ máy Helios hiện có 48 qubit đã được sửa lỗi. International Business Machines (IBM) tháng trước đã tuyên bố đạt được 70 qubit logic trong một thử nghiệm với đại học Chicago. Infleqtion kỳ vọng thiết kế mới nhất của mình sẽ cung cấp hơn 50 qubit logic vào năm tới khi tiến tới mốc 100.

Việc đạt tới 100 qubit logic “là thời điểm mà bạn bắt đầu có thể giải quyết các vấn đề quan trọng trong khoa học vật liệu và hóa học, và có lẽ cả trong AI nữa, những vấn đề mà máy tính truyền thống không thể giải được,” Pranav Gokhale, giám đốc Công nghệ và là nhà sáng lập Infleqtion, cho biết trong cuộc họp báo cáo kết quả kinh doanh đầu tháng này.

Có nhiều phương pháp tiếp cận riêng biệt để xây dựng máy tính lượng tử, điều này khiến việc theo dõi tiến trình của ngành trở nên phức tạp. Một số thiết kế, bao gồm những thiết kế do IBM, Google và Rigetti Computing xây dựng, sử dụng các qubit cơ học được khắc và nối với nhau trên một vi mạch. Các qubit nhân tạo này có thể mở rộng quy mô dễ dàng hơn so với các thiết kế khác nhưng có tỉ lệ lỗi cao hơn do những khuyết tật ban đầu và nhiệt lượng từ các dây nối chúng lại với nhau.

Các thiết kế khác lại dựa trên các hạt tự nhiên, chẳng hạn như nguyên tử hoặc photon. Các nguyên tử được bẫy lại bằng từ trường và điều khiển bằng tia laser. Bộ xử lý lượng tử quang học sử dụng bộ tách chùm sáng, bộ dịch pha và các công cụ khác để kiểm soát các photon. Mặc dù các qubit này bắt đầu ở trạng thái hoàn hảo, nhưng lỗi vẫn phát sinh khi chúng bị di chuyển. Những cỗ máy này khó mở rộng quy mô hơn nhiều. Ví dụ, Infleqtion sử dụng các nguyên tử trung hòa về điện, trong khi Quantinuum làm việc với các nguyên tử mang điện tích, hay ion. Qubit của PsiQuantum thì dựa trên các photon.

Còn quá sớm để nói phương pháp nào trong số các hướng đi này sẽ chiến thắng, và hoàn toàn có khả năng sẽ có nhiều giải pháp cùng tồn tại, mỗi giải pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng. Đó là lý do tại sao bộ Thương mại Mỹ hồi tháng 5 đã chọn nhiều thiết kế máy tính lượng tử khác nhau khi quyết định cấp khoản kinh phí 2 tỉ USD cho 9 công ty, bao gồm IBM, Rigetti, Quantinuum, Infleqtion và PsiQuantum.

Một dấu hiệu rõ ràng của tiến trình là cuộc thảo luận xung quanh máy tính lượng tử đã chuyển sang chủ đề sửa lỗi và qubit logic, thay vì tranh cãi liệu công nghệ này có mang lại giá trị hay không. Khi một cỗ máy cung cấp từ 100 qubit logic trở lên, kỷ nguyên máy tính lượng tử cuối cùng sẽ thực sự gõ cửa, ngay cả khi nó có làm một số người nhớ lại cỗ máy tiền nhiệm dùng bóng đèn chân không cồng kềnh năm nào.