Buzz
Kỷ nguyên của điện toán lượng tử tuy chưa đến nhưng đang ngày càng cận kề hơn bao giờ hết.
Một bước tiến quan trọng trong hành trình khám phá điện toán lượng tử đã được Google thiết lập. Nhóm nghiên cứu Google Quantum AI mới đây công bố trên tạp chí Nature và blog của công ty, cho thấy lần đầu tiên một máy tính lượng tử có thể xử lý thuật toán kiểm chứng nhanh hơn siêu máy tính hiện đại đến 13.000 lần.
Đây là lần đầu tiên trong lịch sử, một hệ thống lượng tử chứng minh khả năng tính toán thực tế thay vì chỉ dừng lại ở những thử nghiệm lý thuyết.
Cụ thể, thuật toán được thử nghiệm trên bộ xử lý lượng tử 65 qubit có thể hoàn thành trong 2,1 giờ, trong khi siêu máy tính hàng đầu phải mất tới 3,2 năm để xử lý cùng lượng công việc đó.
"Hôm nay, chúng tôi công bố kết quả nghiên cứu cho thấy lần đầu tiên trong lịch sử, một máy tính lượng tử có thể chạy thành công một thuật toán kiểm chứng trên phần cứng", Google cho biết. Bước đột phá này được cộng đồng khoa học xem là dấu hiệu rõ ràng cho thấy kỷ nguyên điện toán lượng tử đang tiến gần đến thực tế.
Khi vũ trụ cũng chính là một "máy tính lượng tử".
Ở mức cơ bản, nhiều nhà vật lý cho rằng vũ trụ của chúng ta vận hành như một máy tính lượng tử khổng lồ. Mỗi tương tác giữa các hạt, phản ứng hóa học, hay tia sáng lóe lên đều là một phép toán trong "mạch điện" của tự nhiên.
Tuy nhiên, mô phỏng những quá trình lượng tử này là một thách thức cực lớn, 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.
Các nhà khoa học gọi hiện tượng này là xáo trộn thông tin lượng tử, liên quan đến khái niệm "ergodicity lượng tử", trạng thái mà thông tin bị hòa trộn hoàn toàn trong hệ lượng tử. Hãy tưởng tượng bạn thả một giọt mực đỏ vào máy xay sinh tố: chỉ trong nháy mắt, màu đỏ tan vào thành một vệt hồng đồng nhất, và mọi dấu vết của giọt mực biến mất. Với các hệ lượng tử, điều này cũng xảy ra khiến ta chỉ nhìn thấy kết quả cuối cùng mà không thể hiểu quá trình hình thành.
"Chạy ngược" thời gian bằng tiếng vang lượng tử.
Nhưng điều gì xảy ra nếu bạn có thể "chạy ngược" máy xay sinh tố đó? Nếu có thể khiến dòng xoáy hỗn loạn đảo chiều và tái hiện giọt mực đỏ nguyên thủy? Đó chính là mục tiêu mà Google đang theo đuổi với bộ xử lý lượng tử mới của mình, một bước tiến trong việc giải mã các quá trình lượng tử bị che khuất.
Trong thí nghiệm mới 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 trong các hệ thống lượng tử phức tạp, điều mà các kỹ thuật tính toán cổ điển không thể làm được.
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".
Google cho biết, kết quả này không chỉ là một phép thử cho khả năng của phần cứng, mà còn là một bước tiến quan trọng về thuật toán. Nó chứng minh rằng máy tính lượng tử có thể thực hiện các phép toán hoàn toàn khác biệt so với máy tính cổ điển, thậm chí có thể mô phỏng thực tế ở cấp độ lượng tử.
"Kỷ nguyên lượng tử" đang đến gần, nhưng chưa phải vào ngày mai.
Dù đã tạo nên tiếng vang lớn, các chuyên gia vẫn khẳng định rằng máy tính lượng tử có thể thay thế hoặc hỗ trợ trực tiếp cho máy tính hiện tại vẫn còn là một giấc mơ xa, và vẫn phải chờ vài năm nữa. Theo Google, thử thách lớn nhất hiện nay là 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 phức tạp, chỉ cần một thay đổi nhỏ về nhiệt độ hay dao động môi trường cũng có thể làm hỏng 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, có khả năng tự phát hiện và sửa lỗi nhanh chóng khi sự cố xảy ra.
Giải pháp cho vấn đề 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 sót làm sụp đổ toàn bộ tính toán.
Một số chuyên gia được The Guardian phỏng vấn nhận định rằng, mặc 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 sẽ xuất hiện trong vòng 5 năm tới.
Tương lai: Từ thí nghiệm đến ứng dụng thực tế.
Các chuyên gia kỳ vọng rằng trong tương lai gần, các bộ xử lý lượng tử nhiễu (noisy quantum processors) sẽ trở thành "bộ gia tốc khoa học", hỗ trợ các nhiệm vụ mà máy tính truyền thống không thể thực hiện, như phát hiện thuốc mới, thiết kế vật liệu, hay mô phỏng các phản ứng vật lý cực kỳ phức tạp.
Một Phó Chủ tịch của Google đã 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 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" chưa thực sự bắt đầu, rõ ràng chúng ta đang tiến gần hơn bao giờ hết. Với những bước tiến gần đây, Google không chỉ chứng minh sức mạnh vượt trội của phần cứng lượng tử mà còn mở ra cánh cửa mới giúp con người hiểu sâu hơn về bản chất 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 hòa tan trong đại dương thông tin, nhân loại đang học cách đảo ngược dòng chảy ấy và Google vừa chứng minh rằng điều này hoàn toàn có thể.
