Trong một tách cà phê nóng buổi sáng, phân tử caffeine nhỏ đến mức mắt người không thể nhìn thấy. Thế nhưng chỉ riêng việc mô phỏng cách các electron chuyển động trong phân tử ấy cũng đủ khiến những siêu máy tính mạnh nhất hiện nay chật vật. Điều nghịch lý ở đây nằm ở sự chênh lệch giữa kích thước và độ phức tạp. Một phân tử chỉ gồm carbon, hydro, nitơ và oxy lại tạo ra lượng trạng thái lượng tử nhiều đến mức khó kiểm soát bằng các phương pháp tính toán cổ điển.
Theo báo cáo trên IEEE Spectrum năm 2021, các nhà nghiên cứu cho biết caffeine nằm gần giới hạn cuối cùng của khả năng mô phỏng phân tử bằng siêu máy tính cổ điển. Điều này xuất phát từ thực tế rằng số cách electron có thể phân bố trong phân tử tăng theo cấp số mũ. Khi số cấu hình vượt quá vài tỉ, việc mô phỏng chính xác bắt đầu vượt xa khả năng của bộ nhớ và thời gian xử lý. Trong bối cảnh đó, mô phỏng lượng tử được xem là con đường có thể phá vỡ ranh giới này.
Một bài phân tích của Classiq năm 2023 đưa ra con số đáng chú ý. Theo ước tính, để mô phỏng trọn vẹn phân tử caffeine bằng máy tính lượng tử, các nhà khoa học sẽ cần khoảng 160 qubit có khả năng chịu lỗi. Con số này dựa trên mô hình tính toán lượng tử có thể biểu diễn trực tiếp không gian trạng thái của các electron trong phân tử. Qubit chịu lỗi là loại qubit có thể duy trì trạng thái lượng tử trong thời gian đủ dài để thực hiện một chuỗi phép tính mà không bị nhiễu hay mất coherence. Đây là bước tiến đòi hỏi các kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi lượng tử rất phức tạp, vốn đang là thách thức lớn trong lĩnh vực này.
Cho đến nay, các máy lượng tử tốt nhất chỉ mô phỏng được những phân tử nhỏ hơn nhiều, chẳng hạn như hydro, liti hydride và một số phân tử đơn giản vài nguyên tử. Theo tổng kết trên Wikipedia về thuật toán VQE cập nhật năm 2024, các mô phỏng lượng tử hiện nay vẫn trong giai đoạn thử nghiệm và chỉ đạt kết quả khả thi với những hệ electron ít mức tự do. Điều đó cho thấy khoảng cách giữa khả năng thực tế và mục tiêu mô phỏng caffeine vẫn còn không nhỏ.
Tuy vậy, mức qubit cần có để mô phỏng caffeine lại đặc biệt thú vị vì nó không quá xa vời. Với tốc độ phát triển hiện tại, nhiều nhóm nghiên cứu kỳ vọng trong thập kỷ tới sẽ đạt được các cụm qubit ổn định hàng trăm đơn vị. Đây là ngưỡng mở ra khả năng mô phỏng những phân tử đủ phức tạp để tạo ra giá trị thật trong hóa học và y sinh. Bài viết trên IEEE Spectrum năm 2021 cũng nhấn mạnh rằng mô phỏng phân tử bằng máy lượng tử có thể trở thành nền tảng cho việc thiết kế thuốc mới, vật liệu mới và các hợp chất xúc tác mà ngày nay chưa thể tính toán chính xác.
Vấn đề lớn nhất hiện nay không nằm ở số lượng qubit mà ở chất lượng của chúng. Mỗi qubit đều phải duy trì trạng thái siêu chồng trong thời gian dài, có khả năng thực hiện nhiều cổng lượng tử và phải được bảo vệ khỏi nhiễu môi trường. Chỉ khi điều này được đảm bảo, việc tăng số qubit mới thực sự mang lại khả năng mô phỏng phân tử lớn hơn. Các nhóm nghiên cứu tại Google, IBM và nhiều viện hàn lâm đang theo đuổi các kiến trúc mới như qubit siêu dẫn, qubit ion bẫy hay qubit topo để tăng độ ổn định. Đây chính là yếu tố quyết định xem dự đoán 160 qubit có trở thành hiện thực hay không.
Điều thú vị là caffeine, một phân tử quen thuộc mà người trưởng thành tiếp xúc hàng ngày, lại trở thành một thử thách quan trọng của khoa học lượng tử. Càng nghiên cứu, người ta càng nhận ra rằng những hệ nhỏ bé nhất có thể chứa lượng thông tin khổng lồ mà công nghệ hiện nay chưa chạm tới. Điều đó khiến mục tiêu mô phỏng hoàn chỉnh caffeine không chỉ là bài toán hóa học mà còn là thước đo tiến bộ của tính toán lượng tử.
Khi một cụm qubit ổn định đủ lớn ra đời, phân tử caffeine có thể là một trong những hệ đầu tiên cho thấy sự khác biệt thật sự giữa sức mạnh cổ điển và sức mạnh lượng tử. Và biết đâu một ngày nào đó, việc hiểu tường tận phân tử trong tách cà phê buổi sáng sẽ mở ra những công nghệ mà chúng ta chưa thể hình dung hôm nay.