Hoàng Khang
Writer
Sau nhiều năm đối mặt với những hoài nghi từ cộng đồng khoa học, Google Quantum AI vừa công bố một thành tựu mang tính bước ngoặt. Lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà khoa học của hãng đã chứng minh được rằng chip lượng tử Willow thế hệ mới của họ có thể giải quyết một bài toán trong thế giới thực nhanh hơn 13.000 lần so với một siêu máy tính cổ điển hàng đầu. Quan trọng hơn, kết quả này có thể được xác minh một cách độc lập, mở ra một kỷ nguyên mới cho các ứng dụng thực tiễn của điện toán lượng tử.
Để hiểu được tầm quan trọng của cột mốc này, cần phải nhìn lại bối cảnh của năm 2019. Vào thời điểm đó, Google đã gây chấn động toàn cầu khi công bố đạt được "ưu thế lượng tử" (quantum supremacy) với con chip Sycamore. Cụ thể, Sycamore chỉ mất 200 giây để thực hiện một phép tính mà siêu máy tính Summit của IBM, cỗ máy mạnh nhất thế giới khi đó, được cho là phải mất tới 10.000 năm mới có thể hoàn thành.
Tuy nhiên, thành tựu này ngay lập tức vấp phải sự chỉ trích nặng nề từ các đối thủ và nhiều nhà khoa học. IBM cho rằng Google đã tính toán quá lạc quan về thời gian của Summit, và quan trọng hơn, bài toán mà Sycamore giải quyết chỉ là một bài toán lý thuyết, được thiết kế đặc biệt để phô diễn sức mạnh của máy tính lượng tử và hoàn toàn không có bất kỳ một ứng dụng thực tế nào. Nó bị gọi là một "bài toán đồ chơi" (toy problem) – một thành tựu ấn tượng về mặt kỹ thuật, nhưng vô nghĩa đối với thế giới thực.
Trong nhiều năm sau đó, câu hỏi lớn nhất treo lơ lửng trên toàn bộ ngành công nghiệp lượng tử vẫn là: "Khi nào thì một máy tính lượng tử có thể làm được một điều gì đó hữu ích?".
Công bố mới nhất của Google, được đăng tải trên tạp chí khoa học uy tín Nature, dường như đã đưa ra câu trả lời đầu tiên cho câu hỏi đó. Thay vì một bài toán lý thuyết trừu tượng, nhóm nghiên cứu đã sử dụng con chip lượng tử Willow mới nhất để giải quyết một vấnahi đề cụ thể trong lĩnh vực vật lý, mô phỏng lại cấu trúc của các phân tử.
Trái tim của thành tựu này là một thuật toán mới mang tên Quantum Echoes, hay "Tiếng Vang Lượng Tử". Thuật toán này được lấy cảm hứng từ một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong vật lý gọi là Cộng Hưởng Từ Hạt Nhân (Nuclear Magnetic Resonance - NMR), vốn là nền tảng khoa học đằng sau công nghệ chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) quen thuộc trong y học.
Về mặt kỹ thuật, thuật toán Quantum Echoes hoạt động giống như một hệ thống sonar (định vị bằng sóng âm) cực kỳ tinh vi. Các nhà khoa học sẽ "bắn" một tín hiệu lượng tử được thiết kế cẩn thận vào hệ thống trên chip Willow. Tín hiệu này sẽ tương tác và phát triển bên trong hệ thống lượng tử. Sau một khoảng thời gian, các nhà khoa học sẽ đảo ngược chính xác quá trình phát triển đó, khiến cho tín hiệu "tua ngược" lại. Bằng cách lắng nghe "tiếng vang" (echo) phản hồi, họ có thể thu thập được những thông tin cực kỳ chi tiết về hệ thống.
Điểm mấu chốt của thuật toán này là nó tận dụng được hiện tượng giao thoa xây dựng (constructive interference) – một đặc tính cơ bản của cơ học lượng tử. Các sóng lượng tử khi phản hồi sẽ cộng hưởng và khuếch đại lẫn nhau, tạo ra một tín hiệu vang dội với độ nhạy đo lường cực cao, vượt xa những gì các máy tính cổ điển có thể mô phỏng.
Để minh họa cho bước đột phá này, các nhà khoa học của Google đã đưa ra một so sánh dễ hiểu. Công nghệ trước đây giống như một hệ thống sonar mờ nhạt, chỉ có thể cho chúng ta biết "có một xác tàu ở đâu đó dưới đáy đại dương". Nhưng với độ chính xác chưa từng có của thuật toán Quantum Echoes chạy trên chip Willow, "chúng ta không chỉ tìm thấy con tàu, mà còn có thể đọc được cả tấm tên trên thân tàu".
Sự khác biệt then chốt của thí nghiệm lần này so với năm 2019 không chỉ nằm ở tính ứng dụng, mà còn ở "khả năng kiểm chứng". Trong bài toán năm 2019, vì siêu máy tính cổ điển phải mất 10.000 năm mới có thể tính ra kết quả, nên không ai có thể biết chắc chắn liệu câu trả lời của Sycamore có chính xác hay không.
Ngược lại, thuật toán Quantum Echoes được thiết kế đặc biệt để có thể được kiểm chứng một cách độc lập. Kết quả do chip Willow tạo ra có thể được lặp lại trên chính nó, hoặc trên bất kỳ một máy tính lượng tử nào khác có chất lượng tương đương để xác nhận tính chính xác. Hơn nữa, nó còn có thể được so sánh trực tiếp với kết quả từ các thí nghiệm vật lý thực tế.
Ông Tom O'Brien, một nhà khoa học nghiên cứu cấp cao tại Google Quantum AI, đã nhấn mạnh rằng khả năng kiểm chứng là một "bước tiến khổng lồ" trên con đường đến với ứng dụng thực tế. Nó giúp xây dựng niềm tin vào công nghệ và biến máy tính lượng tử từ một thiết bị thử nghiệm trong phòng thí nghiệm trở thành một công cụ khoa học đáng tin cậy.
Để chứng minh sức mạnh của "Tiếng Vang Lượng Tử" trong thế giới thực, nhóm nghiên cứu của Google đã hợp tác với các nhà khoa học tại Đại học California, Berkeley. Họ đã chạy thuật toán trên chip Willow để nghiên cứu cấu trúc của hai phân tử, một phân tử có 15 nguyên tử và phân tử kia có 28 nguyên tử.
Kết quả thu được từ chip Willow không chỉ hoàn toàn trùng khớp với các phương pháp đo đạc bằng NMR truyền thống, mà thậm chí còn tiết lộ được những thông tin chi tiết về tương tác giữa các nguyên tử mà các phương pháp cổ điển thường không thể cung cấp.
Đây là một minh chứng mạnh mẽ cho thấy máy tính lượng tử có thể đóng một vai trò then chốt trong việc mô hình hóa các hiện tượng cơ học lượng tử. Các nhà khoa học kỳ vọng rằng, trong tương lai, công nghệ này có thể được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực mang lại tác động lớn cho xã hội.
Trong lĩnh vực phát hiện thuốc mới, nó có thể giúp các nhà hóa học hiểu rõ cách các loại thuốc tiềm năng liên kết với các protein mục tiêu. Trong khoa học vật liệu, nó có thể đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế các loại pin hiệu suất cao, các loại polymer mới hay các vật liệu lượng tử đột phá.
Thành tựu này được xây dựng dựa trên sáu năm đột phá liên tiếp của Google, đặc biệt là với sự ra đời của chip lượng tử Willow vào cuối năm 2024. Willow đã giải quyết được một trong những vấn đề lớn nhất của ngành: giảm thiểu lỗi. Các bit lượng tử (qubit) vốn cực kỳ mỏng manh và dễ bị "nhiễu", dẫn đến các phép tính bị sai lệch. Chip Willow đã tích hợp các cơ chế tự sửa lỗi, giúp giảm đáng kể tỷ lệ lỗi, một vấn đề đã thách thức các nhà khoa học trong gần ba thập kỷ.
Tuy nhiên, Google cũng rất thực tế khi đưa ra một cảnh báo quan trọng. Để một máy tính lượng tử có thể thực sự hữu ích cho các ứng dụng phức tạp như thiết kế thuốc, ngành công nghiệp vẫn cần một cỗ máy lớn hơn khoảng 10.000 lần so với các hệ thống hiện có.
Điều này không làm giảm đi ý nghĩa của thành tựu hiện tại. Thay vào đó, nó cho thấy một lộ trình rõ ràng cho sự phát triển trong tương lai. Bước đi tiếp theo của Google là tập trung vào việc tạo ra một "qubit logic" có khả năng tồn tại lâu dài. Một qubit logic được tạo ra từ hàng nghìn qubit vật lý, hoạt động cùng nhau để có thể tự sửa lỗi và duy trì trạng thái lượng tử trong một thời gian đủ dài để thực hiện các phép tính phức tạp. Đây là bước đi quan trọng nhất để có thể hướng tới việc xây dựng một chiếc máy tính lượng tử sửa lỗi quy mô đầy đủ, mở ra vô vàn các ứng dụng thực tế trong tương lai.
Từ "ưu thế lượng tử" gây tranh cãi đến ứng dụng thực tế
Để hiểu được tầm quan trọng của cột mốc này, cần phải nhìn lại bối cảnh của năm 2019. Vào thời điểm đó, Google đã gây chấn động toàn cầu khi công bố đạt được "ưu thế lượng tử" (quantum supremacy) với con chip Sycamore. Cụ thể, Sycamore chỉ mất 200 giây để thực hiện một phép tính mà siêu máy tính Summit của IBM, cỗ máy mạnh nhất thế giới khi đó, được cho là phải mất tới 10.000 năm mới có thể hoàn thành.
Tuy nhiên, thành tựu này ngay lập tức vấp phải sự chỉ trích nặng nề từ các đối thủ và nhiều nhà khoa học. IBM cho rằng Google đã tính toán quá lạc quan về thời gian của Summit, và quan trọng hơn, bài toán mà Sycamore giải quyết chỉ là một bài toán lý thuyết, được thiết kế đặc biệt để phô diễn sức mạnh của máy tính lượng tử và hoàn toàn không có bất kỳ một ứng dụng thực tế nào. Nó bị gọi là một "bài toán đồ chơi" (toy problem) – một thành tựu ấn tượng về mặt kỹ thuật, nhưng vô nghĩa đối với thế giới thực.
Trong nhiều năm sau đó, câu hỏi lớn nhất treo lơ lửng trên toàn bộ ngành công nghiệp lượng tử vẫn là: "Khi nào thì một máy tính lượng tử có thể làm được một điều gì đó hữu ích?".
Công bố mới nhất của Google, được đăng tải trên tạp chí khoa học uy tín Nature, dường như đã đưa ra câu trả lời đầu tiên cho câu hỏi đó. Thay vì một bài toán lý thuyết trừu tượng, nhóm nghiên cứu đã sử dụng con chip lượng tử Willow mới nhất để giải quyết một vấnahi đề cụ thể trong lĩnh vực vật lý, mô phỏng lại cấu trúc của các phân tử.
"Quantum Echoes" – thuật toán thay đổi cuộc chơi
Trái tim của thành tựu này là một thuật toán mới mang tên Quantum Echoes, hay "Tiếng Vang Lượng Tử". Thuật toán này được lấy cảm hứng từ một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong vật lý gọi là Cộng Hưởng Từ Hạt Nhân (Nuclear Magnetic Resonance - NMR), vốn là nền tảng khoa học đằng sau công nghệ chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) quen thuộc trong y học.
Về mặt kỹ thuật, thuật toán Quantum Echoes hoạt động giống như một hệ thống sonar (định vị bằng sóng âm) cực kỳ tinh vi. Các nhà khoa học sẽ "bắn" một tín hiệu lượng tử được thiết kế cẩn thận vào hệ thống trên chip Willow. Tín hiệu này sẽ tương tác và phát triển bên trong hệ thống lượng tử. Sau một khoảng thời gian, các nhà khoa học sẽ đảo ngược chính xác quá trình phát triển đó, khiến cho tín hiệu "tua ngược" lại. Bằng cách lắng nghe "tiếng vang" (echo) phản hồi, họ có thể thu thập được những thông tin cực kỳ chi tiết về hệ thống.
Điểm mấu chốt của thuật toán này là nó tận dụng được hiện tượng giao thoa xây dựng (constructive interference) – một đặc tính cơ bản của cơ học lượng tử. Các sóng lượng tử khi phản hồi sẽ cộng hưởng và khuếch đại lẫn nhau, tạo ra một tín hiệu vang dội với độ nhạy đo lường cực cao, vượt xa những gì các máy tính cổ điển có thể mô phỏng.
Để minh họa cho bước đột phá này, các nhà khoa học của Google đã đưa ra một so sánh dễ hiểu. Công nghệ trước đây giống như một hệ thống sonar mờ nhạt, chỉ có thể cho chúng ta biết "có một xác tàu ở đâu đó dưới đáy đại dương". Nhưng với độ chính xác chưa từng có của thuật toán Quantum Echoes chạy trên chip Willow, "chúng ta không chỉ tìm thấy con tàu, mà còn có thể đọc được cả tấm tên trên thân tàu".
Tầm quan trọng sống còn của "khả năng kiểm chứng"
Sự khác biệt then chốt của thí nghiệm lần này so với năm 2019 không chỉ nằm ở tính ứng dụng, mà còn ở "khả năng kiểm chứng". Trong bài toán năm 2019, vì siêu máy tính cổ điển phải mất 10.000 năm mới có thể tính ra kết quả, nên không ai có thể biết chắc chắn liệu câu trả lời của Sycamore có chính xác hay không.
Ngược lại, thuật toán Quantum Echoes được thiết kế đặc biệt để có thể được kiểm chứng một cách độc lập. Kết quả do chip Willow tạo ra có thể được lặp lại trên chính nó, hoặc trên bất kỳ một máy tính lượng tử nào khác có chất lượng tương đương để xác nhận tính chính xác. Hơn nữa, nó còn có thể được so sánh trực tiếp với kết quả từ các thí nghiệm vật lý thực tế.
Ông Tom O'Brien, một nhà khoa học nghiên cứu cấp cao tại Google Quantum AI, đã nhấn mạnh rằng khả năng kiểm chứng là một "bước tiến khổng lồ" trên con đường đến với ứng dụng thực tế. Nó giúp xây dựng niềm tin vào công nghệ và biến máy tính lượng tử từ một thiết bị thử nghiệm trong phòng thí nghiệm trở thành một công cụ khoa học đáng tin cậy.
Ứng dụng thực tế đầu tiên: phân tích cấu trúc phân tử
Để chứng minh sức mạnh của "Tiếng Vang Lượng Tử" trong thế giới thực, nhóm nghiên cứu của Google đã hợp tác với các nhà khoa học tại Đại học California, Berkeley. Họ đã chạy thuật toán trên chip Willow để nghiên cứu cấu trúc của hai phân tử, một phân tử có 15 nguyên tử và phân tử kia có 28 nguyên tử.
Kết quả thu được từ chip Willow không chỉ hoàn toàn trùng khớp với các phương pháp đo đạc bằng NMR truyền thống, mà thậm chí còn tiết lộ được những thông tin chi tiết về tương tác giữa các nguyên tử mà các phương pháp cổ điển thường không thể cung cấp.
Đây là một minh chứng mạnh mẽ cho thấy máy tính lượng tử có thể đóng một vai trò then chốt trong việc mô hình hóa các hiện tượng cơ học lượng tử. Các nhà khoa học kỳ vọng rằng, trong tương lai, công nghệ này có thể được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực mang lại tác động lớn cho xã hội.
Trong lĩnh vực phát hiện thuốc mới, nó có thể giúp các nhà hóa học hiểu rõ cách các loại thuốc tiềm năng liên kết với các protein mục tiêu. Trong khoa học vật liệu, nó có thể đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế các loại pin hiệu suất cao, các loại polymer mới hay các vật liệu lượng tử đột phá.
Con đường thía trước: từ Willow đến siêu máy tính sửa lỗi
Thành tựu này được xây dựng dựa trên sáu năm đột phá liên tiếp của Google, đặc biệt là với sự ra đời của chip lượng tử Willow vào cuối năm 2024. Willow đã giải quyết được một trong những vấn đề lớn nhất của ngành: giảm thiểu lỗi. Các bit lượng tử (qubit) vốn cực kỳ mỏng manh và dễ bị "nhiễu", dẫn đến các phép tính bị sai lệch. Chip Willow đã tích hợp các cơ chế tự sửa lỗi, giúp giảm đáng kể tỷ lệ lỗi, một vấn đề đã thách thức các nhà khoa học trong gần ba thập kỷ.
Tuy nhiên, Google cũng rất thực tế khi đưa ra một cảnh báo quan trọng. Để một máy tính lượng tử có thể thực sự hữu ích cho các ứng dụng phức tạp như thiết kế thuốc, ngành công nghiệp vẫn cần một cỗ máy lớn hơn khoảng 10.000 lần so với các hệ thống hiện có.
Điều này không làm giảm đi ý nghĩa của thành tựu hiện tại. Thay vào đó, nó cho thấy một lộ trình rõ ràng cho sự phát triển trong tương lai. Bước đi tiếp theo của Google là tập trung vào việc tạo ra một "qubit logic" có khả năng tồn tại lâu dài. Một qubit logic được tạo ra từ hàng nghìn qubit vật lý, hoạt động cùng nhau để có thể tự sửa lỗi và duy trì trạng thái lượng tử trong một thời gian đủ dài để thực hiện các phép tính phức tạp. Đây là bước đi quan trọng nhất để có thể hướng tới việc xây dựng một chiếc máy tính lượng tử sửa lỗi quy mô đầy đủ, mở ra vô vàn các ứng dụng thực tế trong tương lai.
- Điện toán lượng tử
- Chip Willow
- Quantum Echoes
- Khả năng kiểm chứng
