Cuối cùng sau nhiều năm nghiên cứu, các nhà khoa học Google có thể chứng minh chip lượng tử của họ có thể giải quyết được vấn đề gì trong thế giới thực.
Năm 2019, khi Google công bố đạt được quantum supremacy hay ưu thế lượng tử bằng chip lượng tử Sycamore khi chỉ mất 200 giây đã có thể giải được một bài toán khó đến mức siêu máy tính Summit của IBM mất 10.000 năm mới làm được. Tuy nhiên, thành tựu này bị nhiều nhà khoa học chỉ trích là vô nghĩa khi bài toán đó không có ứng dụng thực tế nào cho thế giới thực.
Tuy nhiên, mới đây một lần nữa Google lại cho thấy mình vẫn đang là một trong những công ty đi đầu về công nghệ điện toán lượng tử khi giới thiệu chíp lượng tử thế hệ mới, Willow. Lần đầu tiên trong lịch sử,một con chip lượng tử có thể chứng minh sức mạnh thật sự của mình khi xử lý nhanh hơn 13.000 lần siêu máy tính nhanh nhất hiện nay đối với cùng một thuật toán trong thế giới thực.
Điểm khác biệt then chốt lần này là kết quả không chỉ nhanh hơn mà còn có thể được xác minh lại bởi một máy tính lượng tử khác có cùng chất lượng, hoặc thậm chí bằng các thí nghiệm vật lý thực tế, mở ra con đường ứng dụng thực tiễn cho công nghệ lượng tử trong tương lai gần.
Trái tim của thành tựu này là thuật toán mang tên Quantum Echoes, hay Tiếng Vang Lượng Tử. Điểm đặc biệt của thuật toán này là khả năng kiểm chứng độc lập, nghĩa là kết quả có thể được lặp lại trên cùng máy tính lượng tử hoặc bất kỳ máy tính lượng tử nào khác có chất lượng tương đương để xác nhận tính chính xác. Đây là yếu tố quan trọng giúp công nghệ lượng tử tiến gần hơn đến việc trở thành công cụ thực tế trong các ngành công nghiệp.
Tom O’Brien, nhà khoa học nghiên cứu cấp cao tại Google Quantum AI, nhấn mạnh rằng khả năng kiểm chứng là bước tiến khổng lồ trên con đường đến với ứng dụng thực tế. Ông giải thích rằng cả yếu tố phần cứng lẫn phần mềm đều phải tồn tại và hoạt động cùng nhau thì máy tính lượng tử mới có thể giải quyết các vấn đề trong tương lai, tương tự như cách phát triển phần mềm trong máy tính truyền thống.
Về mặt kỹ thuật, thuật toán Quantum Echoes hoạt động giống như một tiếng vang cực kỳ tinh vi. Các nhà khoa học gửi một tín hiệu được thiết kế cẩn thận vào hệ thống lượng tử trên chip Willow, sau đó đảo ngược chính xác quá trình phát triển của tín hiệu để lắng nghe tiếng vang phản hồi. Tiếng vang lượng tử này trở nên đặc biệt mạnh mẽ nhờ hiện tượng giao thoa xây dựng, nơi các sóng lượng tử cộng lại tạo ra độ nhạy đo lường cực cao.
Chip lượng tử Willow của Google, với nhiều cải tiến về khả năng tự sửa lỗi
Thành tựu này được xây dựng dựa trên nhiều thập kỷ nghiên cứu và 6 năm đột phá liên tiếp của Google. Năm 2019, họ đã chứng minh rằng máy tính lượng tử có thể giải quyết bài toán mà siêu máy tính nhanh nhất phải mất hàng nghìn năm. Cuối năm 2024, chip Willow ra đời với khả năng giảm lỗi đáng kể, giải quyết vấn đề lớn đã thách thức các nhà khoa học gần ba thập kỷ. Và giờ đây, với thuật toán Quantum Echoes, Google đã đưa máy tính lượng tử tiến gần hơn nhiều đến khả năng thúc đẩy các khám phá quan trọng trong y học và khoa học vật liệu.
Để minh họa tầm quan trọng của bước đột phá này, các nhà khoa học Google đưa ra một so sánh dễ hiểu. Trước đây, công nghệ giống như sonar chỉ có thể cho biết có một xác tàu ở đâu đó dưới đáy đại dương với hình dạng mờ nhạt. Nhưng bây giờ, với độ chính xác chưa từng có của Willow, họ không chỉ tìm thấy con tàu mà còn có thể đọc được cả tấm tên trên thân tàu.
Về ứng dụng thực tiễn, thuật toán Quantum Echoes đã được chứng minh có khả năng phân tích cấu trúc phân tử bằng cách tính toán khoảng cách giữa các nguyên tử. Phương pháp này sử dụng công nghệ Cộng Hưởng Từ Hạt Nhân, chính là nền tảng khoa học đằng sau công nghệ chụp MRI.
Trong một thí nghiệm hợp tác với Đại học California, Berkeley, nhóm nghiên cứu đã chạy thuật toán trên chip Willow để nghiên cứu hai phân tử, một phân tử có 15 nguyên tử và phân tử kia có 28 nguyên tử. Kết quả thu được hoàn toàn khớp với phương pháp NMR truyền thống, đồng thời còn tiết lộ những thông tin mà NMR thường không thể cung cấp.
Các nhà khoa học kỳ vọng rằng công nghệ này có thể được ứng dụng rộng rãi trong tương lai. Trong lĩnh vực phát hiện thuốc mới, nó có thể giúp xác định cách các loại thuốc tiềm năng liên kết với mục tiêu của chúng. Trong khoa học vật liệu, nó có thể đóng vai trò quan trọng trong thiết kế pin, polymer và các vật liệu lượng tử mới. Xiao Mi, nhà khoa học nghiên cứu tại Google Quantum AI, cho biết máy tính lượng tử sẽ đóng vai trò then chốt trong việc mô hình hóa các hiện tượng cơ học lượng tử như tương tác giữa các nguyên tử và hạt, cũng như cấu trúc của phân tử.
Tuy nhiên, để ứng dụng công nghệ này vào phát hiện thuốc và thiết kế vật liệu một cách thực tế, ngành công nghiệp vẫn cần một máy tính lượng tử lớn hơn khoảng 10.000 lần so với các máy hiện có. Điều này không làm giảm ý nghĩa của thành tựu hiện tại, mà ngược lại, nó cho thấy một lộ trình rõ ràng cho sự phát triển trong tương lai.
Nghiên cứu này vừa được công bố trên tạp chí Nature danh giá, khẳng định tính khoa học và tầm quan trọng của công trình. Google hiện đang tập trung vào mục tiêu tiếp theo trong lộ trình phát triển phần cứng lượng tử của họ, đó là tạo ra qubit logic có khả năng tồn tại lâu dài. Đây là bước quan trọng hướng tới việc xây dựng máy tính lượng tử sửa lỗi quy mô đầy đủ, mở ra khả năng ứng dụng thực tế nhiều hơn nữa.
