Nhật Bản vừa ghi dấu một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực điện toán với sự ra đời của hệ thống siêu máy tính lượng tử lai đầu tiên trên thế giới. Đây là kết quả của việc tích hợp siêu máy tính Fugaku, một trong những hệ thống điện toán mạnh nhất hiện nay, với máy tính lượng tử Reimei. Sự kết hợp này không chỉ mở ra một hướng đi mới trong xử lý dữ liệu và tính toán hiệu năng cao mà còn mang đến những cơ hội đột phá trong nghiên cứu khoa học, đặc biệt là sinh học và vi sinh vật học.
Siêu máy tính Fugaku từ lâu đã được biết đến như một trong những hệ thống máy tính mạnh mẽ nhất thế giới, với khả năng xử lý hàng trăm triệu tỷ phép tính mỗi giây. Được phát triển bởi Viện nghiên cứu RIKEN và công ty Fujitsu, Fugaku đã đóng vai trò quan trọng trong nhiều nghiên cứu khoa học, từ mô hình hóa khí hậu đến phân tích dịch bệnh.
Tuy nhiên, dù mạnh mẽ đến đâu, các hệ thống điện toán cổ điển vẫn có những giới hạn khi xử lý các bài toán phức tạp liên quan đến mô phỏng lượng tử, tối ưu hóa hoặc nghiên cứu về vật liệu mới. Đây chính là lúc công nghệ máy tính lượng tử phát huy thế mạnh. Với khả năng thực hiện tính toán song song ở cấp độ lượng tử, máy tính lượng tử có thể giải quyết những bài toán mà các hệ thống cổ điển phải mất hàng trăm, thậm chí hàng ngàn năm mới có thể hoàn thành.
Việc tích hợp Fugaku với Reimei cho phép kết hợp điểm mạnh của cả hai loại hệ thống, giúp nâng cao đáng kể hiệu suất tính toán. Trong khi siêu máy tính cổ điển có thể xử lý các tác vụ yêu cầu độ chính xác cao trên quy mô lớn, máy tính lượng tử lại đặc biệt hiệu quả trong việc giải quyết các bài toán tối ưu hóa, mô phỏng phân tử, và tính toán liên quan đến cơ học lượng tử. Sự kết hợp này mở ra một kỷ nguyên mới trong nghiên cứu khoa học và công nghiệp, từ phát triển dược phẩm, mô phỏng phản ứng hóa học, đến nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo và khoa học vật liệu.
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của hệ thống siêu máy tính lượng tử lai này là nghiên cứu vi sinh vật ở cấp độ đơn tế bào. Các nhà khoa học đã kết hợp phương pháp hình ảnh MERFISH với kính hiển vi giãn nở để quan sát chi tiết cách vi khuẩn phản ứng với môi trường. MERFISH là một kỹ thuật tiên tiến giúp lập bản đồ biểu hiện gen trên quy mô lớn, cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi cách các gen được kích hoạt trong từng điều kiện khác nhau. Điều này có ý nghĩa to lớn trong việc hiểu rõ hơn về cơ chế kháng kháng sinh của vi khuẩn, cũng như cách chúng tổ chức hoạt động để thích nghi với môi trường sống.
Vi khuẩn, dù là những vi khuẩn có lợi trong cơ thể con người hay những chủng gây bệnh nguy hiểm, đều có khả năng thay đổi biểu hiện gen để thích ứng với môi trường xung quanh. Việc theo dõi cách chúng điều chỉnh gen trong từng hoàn cảnh cụ thể có thể giúp phát triển các phương pháp điều trị mới, kiểm soát dịch bệnh hiệu quả hơn.
Tuy nhiên, nghiên cứu này không hề đơn giản do RNA của vi khuẩn có kích thước rất nhỏ và được đóng gói chặt chẽ bên trong tế bào. Trước đây, các nhà khoa học chỉ có thể nghiên cứu vi khuẩn thông qua các mẫu trung bình của một quần thể vi khuẩn, tức là phân tích dữ liệu chung của hàng triệu tế bào thay vì từng tế bào riêng lẻ.
Với sự hỗ trợ của kính hiển vi giãn nở, các nhà nghiên cứu đã giải quyết được vấn đề này. Bằng cách nhúng mẫu vi khuẩn vào một loại hydrogel đặc biệt và làm giãn nở mẫu lên gấp 50 đến 1000 lần, họ có thể quan sát từng RNA riêng lẻ bên trong tế bào, điều chưa từng thực hiện được trước đây. Nhờ đó, họ đã phát hiện ra rằng vi khuẩn có những chiến lược thích nghi rất phức tạp. Một ví dụ điển hình là vi khuẩn E. coli. Khi bị thiếu hụt glucose, E. coli không sử dụng ngay tất cả các nguồn năng lượng thay thế mà lần lượt kích hoạt các con đường trao đổi chất theo một trình tự nhất định. Việc theo dõi sự thay đổi biểu hiện gen theo thời gian đã giúp nhóm nghiên cứu giải mã được chiến lược sinh tồn này.
Không dừng lại ở đó, nghiên cứu cũng cho thấy rằng vi khuẩn có thể điều chỉnh hoạt động RNA của chúng tùy thuộc vào vị trí vật lý trong môi trường sống. Chẳng hạn, trong đường ruột con người, cùng một loài vi khuẩn nhưng có thể kích hoạt những bộ gen khác nhau tùy theo chúng nằm ở phần nào của ruột. Điều này giúp giải thích tại sao vi khuẩn có thể tồn tại trong nhiều môi trường khác nhau mà không bị tiêu diệt. Việc hiểu rõ cơ chế này có thể dẫn đến những bước tiến mới trong y học, đặc biệt là trong điều trị các bệnh liên quan đến hệ vi sinh vật đường ruột.
Bên cạnh các ứng dụng trong sinh học, hệ thống siêu máy tính lượng tử lai này còn mang đến nhiều triển vọng trong các lĩnh vực khác. Trong ngành dược phẩm, nó có thể giúp mô phỏng phản ứng giữa các phân tử thuốc và protein, giúp rút ngắn thời gian phát triển thuốc. Trong lĩnh vực khoa học vật liệu, nó có thể giúp dự đoán tính chất của các vật liệu mới trước khi tiến hành chế tạo thực tế. Thậm chí, trong trí tuệ nhân tạo, sự kết hợp giữa máy tính cổ điển và lượng tử có thể giúp phát triển các thuật toán học sâu mạnh mẽ hơn, đưa AI lên một tầm cao mới.
