Buzz
Đây không chỉ là một tiến bộ trong mô phỏng lượng tử mà còn là nền tảng quan trọng để phát triển các siêu máy tính lượng tử trong tương lai.
Trong nỗ lực vượt qua giới hạn của khoa học máy tính lượng tử, nhóm nghiên cứu tại Google Quantum AI vừa công bố một phương pháp mô phỏng lượng tử mới trên tạp chí Nature . Phương pháp này kết hợp giữa mô phỏng analog và digital , mở ra một cách tiếp cận linh hoạt hơn trong nghiên cứu các hệ lượng tử phức tạp.
Các mô phỏng lượng tử truyền thống thường áp dụng hai phương pháp chính: mô phỏng digital và mô phỏng analog . Mô phỏng digital sử dụng các cổng logic lượng tử để xây dựng dần dần trạng thái lượng tử mong muốn, mang lại sự linh hoạt trong việc thiết lập hệ thống. Mặt khác, mô phỏng analog đo động lực học của hệ thống lượng tử một cách liên tục, giúp mô tả chính xác hơn sự phát triển nhanh chóng của các hạt lượng tử.
Nhóm nghiên cứu của Google đã kết hợp cả hai phương pháp trên một trình mô phỏng lượng tử với 69 qubit siêu dẫn. Ban đầu, họ sử dụng các cổng digital để thiết lập trạng thái lượng tử ban đầu, sau đó chuyển sang mô phỏng analog để quan sát sự phát triển của hệ thống. Cuối cùng, họ trở lại mô phỏng digital để phân tích chi tiết các trạng thái lượng tử phức tạp. Cách tiếp cận này giúp hệ thống tiến triển trạng thái lượng tử nhanh hơn so với việc chỉ sử dụng phương pháp digital và đồng thời khắc phục một số nhược điểm của mô phỏng analog thuần túy.
Trond Andersen, nhà nghiên cứu tại Google Quantum AI và tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ: "Chúng tôi rất phấn khích với phát hiện này vì nó có thể mở ra một con đường mới đầy triển vọng cho việc ứng dụng máy tính lượng tử. Đây là điều mà ngay cả những siêu máy tính truyền thống nhanh nhất cũng không thể thực hiện được."
Trong quá trình thử nghiệm phương pháp mới, nhóm nghiên cứu nhận thấy kết quả mô phỏng lượng tử của họ không khớp với dự đoán từ Cơ chế Kibble-Zurek, một lý thuyết vật lý dùng để mô tả sự phá vỡ đối xứng trong vũ trụ sơ khai. Theo cơ chế này, động lực học của hệ lượng tử và số lượng khiếm khuyết trong hệ thống sẽ tăng lên với một tốc độ hữu hạn. Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm của Google lại không giống với dự đoán lý thuyết.
"Khi chúng tôi phát hiện ra sự khác biệt này, chúng tôi nghĩ rằng có thể có sự cố trong thí nghiệm", Andersen chia sẻ. "Tuy nhiên, sau khi thực hiện thêm nhiều thí nghiệm, chúng tôi khẳng định rằng đó không phải là lỗi mà là một hiện tượng vật lý hoàn toàn mới".
Khám phá này đặt ra những câu hỏi thú vị về động lực học lượng tử và có thể mang lại những hiểu biết mới về cách thức hoạt động của vật chất trong môi trường lượng tử.
Một trong những thách thức lớn nhất của máy tính lượng tử là sự nhạy cảm với nhiễu. Qubit, đơn vị tính toán cơ bản của máy tính lượng tử, rất dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh, dẫn đến mất mát thông tin và làm suy yếu trạng thái lượng tử. Vì vậy, một trong những mục tiêu lớn của ngành là phát triển máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi, có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài mà không bị tác động bởi nhiễu.
Nghiên cứu mới từ Google cho thấy phương pháp mô phỏng kết hợp có thể giúp xây dựng các hệ lượng tử mạnh mẽ hơn, mở ra cơ hội để phát triển các máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi. Điều này có ý nghĩa to lớn trong việc thực hiện các phép toán phức tạp mà máy tính cổ điển không thể giải quyết.
Nghiên cứu được thực hiện trên bộ xử lý lượng tử Sycamore của Google, tuy nhiên công ty đã thay thế Sycamore bằng bộ xử lý lượng tử Willow vào cuối năm 2023. Trước đây, Sycamore đã giúp Google tuyên bố "quyền tối cao lượng tử" vào năm 2019, khi thực hiện một phép toán trong 200 giây mà siêu máy tính cổ điển nhanh nhất cần tới 10.000 năm để giải quyết – nhưng Willow lại mạnh mẽ hơn nhiều.
Theo Google, Willow có khả năng thực hiện các tính toán mà ngay cả những siêu máy tính cổ điển nhanh nhất cũng phải mất 1 tỷ năm mới hoàn thành. Trong tương lai, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục thử nghiệm phương pháp mô phỏng lượng tử kết hợp trên Willow, hứa hẹn sẽ có những kết quả đầy hứa hẹn.
Mục tiêu cuối cùng của ngành điện toán lượng tử là phát triển một máy tính lượng tử thực sự mạnh mẽ, có khả năng giải quyết những bài toán mà không một siêu máy tính nào hiện nay có thể làm được. Google đang tiến gần hơn đến một cột mốc quan trọng trong lộ trình lượng tử của họ, hướng tới một máy tính lượng tử có khả năng sửa lỗi.
Mặc dù việc hoàn thiện một máy tính lượng tử có thể mất nhiều thập kỷ, nhưng giám đốc khoa học của Google tin rằng trong 5 năm tới, công nghệ này sẽ bắt đầu có những ứng dụng thương mại đầu tiên. Nếu điều này trở thành hiện thực, điện toán lượng tử sẽ không chỉ là một lĩnh vực nghiên cứu mà còn có khả năng thay đổi toàn bộ các ngành công nghiệp, từ trí tuệ nhân tạo, mô phỏng vật lý, dược phẩm, tài chính cho đến mật mã học.
Dù vẫn còn nhiều thách thức phía trước, nghiên cứu gần đây của Google đã chỉ ra rằng máy tính lượng tử đang tiến triển nhanh chóng hơn bao giờ hết. Tương lai của công nghệ này có thể vẫn chưa rõ ràng, nhưng một điều chắc chắn: nhân loại đang tiến gần hơn bao giờ hết đến một kỷ nguyên mới trong điện toán.
