Một cột mốc mới trong hành trình chinh phục điện toán lượng tử vừa được Google thiết lập. Theo công bố chính thức trên tạp chí Nature và blog của hãng, nhóm nghiên cứu Google Quantum AI đã lần đầu tiên chứng minh một máy tính lượng tử có thể chạy thành công một thuật toán có thể kiểm chứng, nhanh hơn siêu máy tính hiện đại tới 13.000 lần.
Đây được xem là lần đầu tiên trong lịch sử, một hệ thống lượng tử thể hiện được hiệu quả thực tế trong tính toán, thay vì chỉ dừng lại ở các bài thử nghiệm lý thuyết.
Cụ thể, thuật toán mà nhóm nghiên cứu thử nghiệm trên bộ xử lý lượng tử 65 qubit có thể hoàn thành trong 2,1 giờ, trong khi một siêu máy tính hàng đầu thế giới phải mất tới 3,2 năm để xử lý cùng một khối lượng tính toán.
"Hôm nay, chúng tôi công bố nghiên cứu cho thấy lần đầu tiên trong lịch sử, một máy tính lượng tử có thể chạy thành công một thuật toán có thể kiểm chứng trên phần cứng", Google viết. Bước đột phá này, theo giới khoa học, là tín hiệu rõ ràng cho thấy kỷ nguyên điện toán lượng tử đang dần chuyển từ tiềm năng sang thực tế.
Khi vũ trụ cũng là một "máy tính lượng tử"
Ở cấp độ cơ bản, nhiều nhà vật lý cho rằng vũ trụ của chúng ta hoạt động như một máy tính lượng tử khổng lồ. Mỗi tương tác giữa các hạt, mỗi phản ứng hóa học, mỗi tia sáng lóe lên đều là một phép tính trong "mạch điện" của tự nhiên.
Tuy nhiên, việc mô phỏng những quá trình lượng tử này là điều vô cùng khó khăn, ngay cả với siêu máy tính mạnh nhất. Những hiện tượng phức tạp như gấp protein, thay đổi cấu trúc vật liệu hay phản ứng phân tử khiến thông tin lượng tử bị "rối loạn" đến mức gần như không thể tái tạo được.
Các nhà khoa học gọi hiện tượng này là xáo trộn thông tin lượng tử, có liên quan mật thiết đến khái niệm "ergodicity lượng tử", trạng thái mà thông tin bị hòa trộn hoàn toàn trong một hệ lượng tử. Hãy tưởng tượng bạn thả một giọt mực đỏ vào máy xay sinh tố: chỉ trong tích tắc, màu đỏ hòa tan thành một vệt hồng đồng nhất, và mọi dấu vết của giọt mực ban đầu biến mất. Với các hệ lượng tử, điều tương tự xảy ra khiến chúng ta chỉ nhìn thấy kết quả cuối cùng mà không hiểu được cách nó hình thành.
"Chạy ngược" thời gian bằng tiếng vang lượng tử
Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu bạn có thể "chạy ngược" máy xay sinh tố đó? Nếu có thể khiến dòng xoáy hỗn loạn tự đảo chiều và tái hiện giọt mực đỏ nguyên thủy? Đó chính là điều mà Google đang hướng tới với bộ xử lý lượng tử mới của mình, một nỗ lực để giải mã các quá trình lượng tử bị che khuất.
Trong thí nghiệm vừa công bố, nhóm nghiên cứu của Google Quantum AI đã sử dụng chip lượng tử siêu dẫn tên Willow để triển khai giao thức "tiếng vang lượng tử" (quantum echo). Phương pháp này cho phép họ thăm dò và đo lường các mối tương quan ẩn sâu bên trong các hệ thống lượng tử phức tạp, điều mà mọi kỹ thuật tính toán cổ điển đều bất lực.
Google ví von: "Hãy tưởng tượng bạn đang tìm một con tàu đắm dưới đáy đại dương. Công nghệ sonar có thể cho bạn hình ảnh mờ ảo về nó. Nhưng nếu bạn không chỉ tìm thấy con tàu mà còn đọc được biển tên trên thân tàu thì sao? Đó chính là độ chính xác mà chip Willow vừa đạt được".
Theo Google, kết quả này không chỉ là một bài kiểm tra năng lực của phần cứng, mà còn là một bước tiến thuật toán mang tính nền tảng. Nó chứng minh rằng máy tính lượng tử có thể thực hiện những phép tính hoàn toàn khác biệt với máy tính cổ điển, thậm chí có khả năng mô phỏng trực tiếp thực tế ở cấp độ lượng tử.
"Kỷ nguyên lượng tử" đang đến gần, nhưng chưa phải ngày mai
Dù gây tiếng vang lớn, các chuyên gia vẫn khẳng định rằng máy tính lượng tử thực dụng, thứ có thể thay thế hoặc hỗ trợ trực tiếp cho máy tính hiện nay vẫn còn cách chúng ta vài năm. Theo Google, thách thức lớn nhất nằm ở việc mở rộng quy mô qubit.
Mỗi qubit (đơn vị cơ bản của máy tính lượng tử) cực kỳ nhạy cảm. Chúng phụ thuộc vào các trạng thái chồng chập và vướng víu lượng tử tinh vi, chỉ cần một thay đổi nhỏ về nhiệt độ hay dao động môi trường cũng có thể phá vỡ toàn bộ quá trình tính toán. Vì vậy, mục tiêu tiếp theo của giới nghiên cứu là phát triển các máy tính lượng tử chịu lỗi, tức hệ thống có thể tự phát hiện và sửa lỗi nhanh hơn khi lỗi xảy ra.
Giải pháp cho điều này là qubit logic, một qubit "ảo" được mã hóa từ hàng nghìn qubit vật lý hoạt động đồng bộ để kiểm tra và sửa lỗi lẫn nhau. Khi công nghệ này đạt đến độ ổn định cần thiết, máy tính lượng tử mới có thể vận hành ở quy mô lớn mà không bị sai số làm sụp đổ tính toán.
Một số chuyên gia được The Guardian phỏng vấn nhận định rằng, dù thành tựu của Google rất ấn tượng, nhưng nó vẫn chưa đồng nghĩa với việc điện toán lượng tử đã "chạm tay" vào tính ứng dụng thương mại. Tuy nhiên, họ cũng đồng ý rằng, với tốc độ phát triển hiện nay, những ứng dụng thực tế đầu tiên của máy tính lượng tử có thể xuất hiện trong vòng 5 năm tới.
Tương lai: Từ thí nghiệm đến ứng dụng thực tế
Giới chuyên môn kỳ vọng trong thời gian tới, các bộ xử lý lượng tử nhiễu (noisy quantum processors) sẽ được dùng như "bộ gia tốc khoa học", hỗ trợ các nhiệm vụ mà máy tính truyền thống không thể làm được, chẳng hạn như phát hiện thuốc mới, thiết kế vật liệu, hoặc mô phỏng các phản ứng vật lý cực kỳ phức tạp.
Một Phó Chủ tịch của Google từng dự đoán: "Chúng ta sẽ sớm thấy các ứng dụng lượng tử thực tế đầu tiên, có thể là trong khoảng 5 năm tới. Khi đó, máy tính lượng tử sẽ không chỉ là giấc mơ của giới vật lý, mà sẽ trở thành công cụ hỗ trợ thực tế trong công nghiệp, y học và khoa học".
Dù "kỷ nguyên lượng tử" vẫn chưa thực sự bắt đầu, rõ ràng chúng ta đang tiến gần hơn bao giờ hết. Với bước tiến vừa qua, Google không chỉ chứng minh sức mạnh vượt trội của phần cứng lượng tử, mà còn mở ra một cánh cửa mới để con người hiểu sâu hơn về bản chất của thực tại, nơi mà mỗi hạt, mỗi photon đều là một phép tính trong "máy tính vũ trụ" khổng lồ.
Từ một giọt mực đỏ bị hòa tan trong đại dương thông tin, nhân loại đang học cách đảo ngược dòng chảy ấy và Google vừa cho thấy rằng điều đó hoàn toàn có thể.