Internet lượng tử sắp thành hiện thực nhờ một đột phá cho phép các máy tính lượng tử khác loại "nói chuyện" với nhau

[Mai Nhung]

Một bước tiến mang tính nền tảng trong lĩnh vực điện toán lượng tử vừa được công bố, hứa hẹn sẽ thay đổi cách chúng ta xây dựng và kết nối các cỗ máy siêu việt này. Các nhà khoa học đã phát triển thành công QNodeOS – hệ điều hành đầu tiên được thiết kế đặc thù cho máy tính lượng tử, với khả năng cốt lõi là cho phép các hệ thống lượng tử dựa trên những nền tảng phần cứng khác nhau có thể giao tiếp và hoạt động cùng nhau trong một mạng lưới. Thành tựu này không chỉ giúp máy tính lượng tử trở nên linh hoạt hơn mà còn đặt nền móng quan trọng cho việc xây dựng một "internet lượng tử" trong tương lai.

Giải quyết bài toán tương thích phần cứng

Không giống như máy tính cổ điển đã có các hệ điều hành phổ biến như Windows hay macOS giúp chuẩn hóa hoạt động, thế giới máy tính lượng tử hiện nay vẫn còn khá phân mảnh. Mỗi hệ thống thường được thiết kế riêng biệt cho các mục đích nghiên cứu cụ thể và sử dụng các loại qubit (đơn vị thông tin lượng tử) khác nhau – từ qubit dựa trên điện tích, qubit siêu dẫn, đến qubit dựa trên spin trong kim cương hay ion bị bẫy. Sự khác biệt về phần cứng nền tảng này tạo ra một rào cản lớn trong việc kết nối và đồng bộ hóa các máy tính lượng tử với nhau.

QNodeOS ra đời để giải quyết chính vấn đề này. Nó được thiết kế với kiến trúc độc đáo nhằm đảm bảo tính tương thích với nhiều loại qubit khác nhau. Hệ điều hành này bao gồm hai bộ xử lý riêng biệt: CNPU (Bộ xử lý mạng cổ điển) đảm nhiệm mã điều khiển thông thường và QNPU (Bộ xử lý mạng lượng tử) xử lý các mã lệnh lượng tử. Hai bộ xử lý này phối hợp điều khiển phần cứng lượng tử thực tế (gọi là QDevice) thực hiện các phép toán.
Thành phần then chốt tạo nên tính linh hoạt của QNodeOS là QDriver.

Đây là lớp phần mềm duy nhất phụ thuộc vào loại phần cứng lượng tử cụ thể. Nó đóng vai trò như một "trình phiên dịch", chuyển đổi các lệnh lượng tử chuẩn hóa, độc lập nền tảng từ QNodeOS thành các chỉ thị điều khiển xung vật lý tương ứng cho từng loại QDevice (và ngược lại). Cùng với đó là NetQASM, một bộ chỉ thị được chuẩn hóa cho các ứng dụng internet lượng tử, giúp việc giao tiếp giữa các nút mạng lượng tử trở nên nhất quán.

Thử nghiệm thành công kết nối đa nền tảng

Tính hiệu quả của QNodeOS đã được chứng minh qua một thử nghiệm đột phá được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 12 tháng 3 vừa qua. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng QNodeOS để kết nối thành công hai máy tính lượng tử làm từ kim cương nhân tạo với một máy tính lượng tử khác sử dụng công nghệ ion bị bẫy. Sau đó, họ đã chạy thành công một chương trình tính toán phân tán trên mạng lưới gồm ba máy khác loại này, tương tự như cách các máy tính cổ điển thực hiện tính toán đám mây. Đây là minh chứng thực tế đầu tiên về khả năng kết nối và điều phối hoạt động giữa các máy tính lượng tử không đồng nhất thông qua một hệ điều hành chung.

Hướng tới Internet Lượng tử

Việc QNodeOS ra đời và được chứng minh hiệu quả mang ý nghĩa vô cùng to lớn. Nó không chỉ giúp máy tính lượng tử trở nên đa năng, dễ quản lý và triển khai hơn mà còn mở ra khả năng xây dựng các mạng lưới tính toán lượng tử phân tán quy mô lớn. Đây chính là bước đệm quan trọng để tiến tới hiện thực hóa mạng internet lượng tử – một mạng lưới nơi thông tin có thể được truyền đi gần như tức thời hoặc cực kỳ bảo mật dựa trên các hiệu ứng lượng tử như rối và viễn tải lượng tử, vượt qua những giới hạn của mạng cáp quang hiện tại.

Các nhà nghiên cứu cho biết bước tiếp theo sẽ là mở rộng thử nghiệm với nhiều loại máy tính lượng tử hơn và ở khoảng cách xa hơn, đồng thời tối ưu kiến trúc QNodeOS để giảm độ trễ. Sự xuất hiện của QNodeOS đánh dấu một cột mốc đáng nhớ, đưa công nghệ lượng tử từ lý thuyết và các thí nghiệm đơn lẻ tiến gần hơn đến các ứng dụng thực tế và kết nối mạng quy mô lớn.