Google đã công bố một bước đột phá lớn về điện toán lượng tử vào thứ Tư, tuyên bố rằng họ đã đạt được lợi thế lượng tử đầu tiên có thể kiểm chứng được. Thuật toán “Tiếng vọng lượng tử” mới của Google, chạy trên chip Willow, đã thực hiện một phép tính phức tạp nhanh hơn đáng kinh ngạc 13.000 lần so với tốc độ mà siêu máy tính hàng đầu thế giới có thể mô phỏng.
Chi tiết trên tạp chí khoa học Thiên nhiên, thành tựu này đánh dấu một bước quan trọng hướng tới việc chế tạo máy lượng tử thực tế.
Các nhà nghiên cứu tin rằng một ngày nào đó những hệ thống này có thể giải quyết các vấn đề nan giải hiện nay trong y học, khoa học vật liệu và các lĩnh vực khác. Cột mốc quan trọng này sẽ chuyển cuộc chạy đua lượng tử từ khoa học thuần túy sang kỹ thuật có thể lặp lại, có thể kiểm chứng với các ứng dụng trong thế giới thực.
Như Google đã tuyên bố trong thông báo của mình: “Đây là lần đầu tiên trong lịch sử, bất kỳ máy tính lượng tử nào cũng chạy thành công một thuật toán có thể kiểm chứng vượt qua khả năng của siêu máy tính.”
Một cột mốc mới: Lợi thế lượng tử có thể kiểm chứng được
Chạy phép tính nhanh hơn 13.000 lần so với siêu máy tính, Thành tựu mới nhất của Google không chỉ là kỷ lục về tốc độ. Nó thể hiện bước tiến cơ bản về độ tin cậy và độ tin cậy của phần cứng lượng tử, một trở ngại quan trọng mà ngành này đã phải nỗ lực vượt qua.
Được tiến hành trên bộ xử lý Willow 105 qubit, thí nghiệm đã chạy thành công một thuật toán vật lý mô hình hóa cách thông tin lan truyền và tái tập trung thông qua một hệ lượng tử.
Đằng sau những con số thu hút sự chú ý là một thành tựu sâu sắc hơn: khả năng kiểm chứng. Lần đầu tiên, một máy tính lượng tử đã chứng tỏ khả năng tăng tốc một nhiệm vụ có thể được lặp lại và kiểm tra theo tự nhiên một cách đáng tin cậy.
Điều này trái ngược với những minh chứng về “ưu thế lượng tử” trước đó, vốn mang tính đột phá nhưng khó xác nhận độc lập hơn. Theo Giám đốc điều hành Google Sundar Pichai, “Kết quả này có thể kiểm chứng được, nghĩa là kết quả của nó có thể được lặp lại bởi các máy tính lượng tử khác hoặc được xác nhận bằng các thí nghiệm”.
Khả năng như vậy đưa công nghệ vượt ra khỏi giới hạn của những cuộc trình diễn một lần để tiến tới địa hạt của sự tiến bộ nhất quán, do kỹ sư chỉ đạo.
Được gọi là Tiếng vang lượng tử, kỹ thuật mới này hoạt động bằng cách gửi tín hiệu được chế tạo cẩn thận vào hệ thống lượng tử. Sau đó, các nhà nghiên cứu làm nhiễu loạn một qubit đơn lẻ và đảo ngược chính xác sự tiến hóa của tín hiệu để lắng nghe”tiếng vang”quay trở lại.
Tiếng vang này, được khuếch đại bởi một hiện tượng gọi là giao thoa tăng cường, tiết lộ thông tin cực kỳ nhạy cảm về cấu trúc và động lực học của hệ thống.
Trong nhiều năm, hứa hẹn về điện toán lượng tử đã bị hạn chế bởi thách thức về sai sót và tính không ổn định. Bước đột phá này được xây dựng trực tiếp dựa trên thành công năm 2024 của chip Willow trong việc sửa lỗi “dưới ngưỡng”.
Cột mốc đó chứng minh rằng khi qubit đạt đến chất lượng nhất định, việc mở rộng quy mô hệ thống thực sự có thể giảm lỗi thay vì khuếch đại chúng, mở đường cho các bộ xử lý lớn hơn, ổn định hơn.
Từ Lab Bench đến Thế giới thực: Ứng dụng và Mối đe dọa
Với mức độ chính xác mới này, Google rất lạc quan về con đường dẫn đến các trường hợp sử dụng thực tế. Hartmut Neven, Người sáng lập và Giám đốc Google Quantum AI, đã đưa ra một mốc thời gian rõ ràng: “Với tiếng vang lượng tử, chúng tôi tiếp tục lạc quan rằng trong vòng 5 năm nữa, chúng ta sẽ thấy những ứng dụng trong thế giới thực chỉ có thể thực hiện được trên máy tính lượng tử”.
Các ứng dụng hứa hẹn nhất là mô phỏng thế giới tự nhiên ở cấp độ phân tử, một nhiệm vụ có thể làm choáng ngợp ngay cả những máy tính cổ điển mạnh mẽ nhất.
Tìm hiểu sâu hơn sự hiểu biết về những tương tác này có thể mở ra các chất xúc tác mới, pin hiệu quả hơn và dược phẩm mới.
Trong một thí nghiệm chứng minh nguyên lý với Đại học California, Berkeley, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật Tiếng vọng lượng tử để phân tích cấu trúc của các phân tử.
Kết quả cho thấy phương pháp này có thể trở thành một công cụ mạnh mẽ để khám phá thuốc và khoa học vật liệu. Như Google đã giải thích trong thông báo của mình: “Giống như kính viễn vọng và kính hiển vi đã mở ra những thế giới mới, vô hình, thí nghiệm này là một bước tiến tới ‘phạm vi lượng tử’ có khả năng đo các hiện tượng tự nhiên không thể quan sát được trước đây”.
Tuy nhiên, sức mạnh ngày càng tăng của máy lượng tử cũng mang đến một mối đe dọa đáng kể cần tập trung rõ ràng hơn: khả năng phá vỡ mã hóa hiện đại.
Một tiến bộ ở mức độ này mang lại những điều mới tính khẩn cấp đối với vectơ tấn công “Harvest Now, Decrypt Later”, trong đó kẻ thù đánh cắp dữ liệu được mã hóa ngay hôm nay với mục đích giải mã dữ liệu đó khi có máy tính lượng tử mạnh mẽ.
Mối đe dọa như vậy đã thúc đẩy các cơ quan chính phủ như NIST hoàn thiện các tiêu chuẩn mật mã sau lượng tử (PQC) để bảo vệ khỏi các cuộc tấn công trong tương lai.
Rủi ro trực tiếp sẽ xảy ra đối với tài sản kỹ thuật số và thông tin liên lạc. Như Christopher Peikert, giáo sư tại Đại học Michigan, đã nói với Decrypt: “Tính toán lượng tử có xác suất hợp lý—hơn 5%—là một rủi ro lớn, thậm chí tồn tại, lâu dài với Bitcoin và các loại tiền điện tử khác.”
Sự đếm ngược thầm lặng đến một thế giới hậu lượng tử đang ngày càng ồn ào hơn.
Cuộc đua đông đúc đến một tương lai lượng tử
Thành tựu của Google đạt được trong một lĩnh vực cạnh tranh khốc liệt, nơi những gã khổng lồ công nghệ đang đặt cược hàng tỷ USD vào các chiến lược khác nhau để xây dựng một máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi.
Trong khi Google tập trung vào việc chứng minh tốc độ có thể kiểm chứng được bằng các qubit siêu dẫn của mình, thì các đối thủ của Google đang khám phá những con đường khác nhau về cơ bản, mỗi con đường đều có những rủi ro và phần thưởng tiềm năng riêng.
IBM, công ty tiên phong trong lĩnh vực này, đã đặt ra một lộ trình đầy tham vọng hướng tới một hệ thống có khả năng chịu lỗi vào năm 2029. Chiến lược của Google xoay quanh việc chuyển hướng gần đây sang một mã sửa lỗi hiệu quả hơn được gọi là qLDPC, nhằm mục đích giảm đáng kể số lượng qubit vật lý cần thiết để tạo ra một qubit logic ổn định duy nhất.
AWS của Amazon, với chip Ocelot, là kỹ thuật”qubit bosonic”được thiết kế để ngăn chặn một số lỗi nhất định ở cấp độ phần cứng một cách tự nhiên. Triết lý của họ là đưa tính năng sửa lỗi vào kiến trúc ngay từ đầu thay vì bổ sung thêm sau này.
Microsoft đang theo đuổi một chiến lược kép, táo bạo. Họ đang hỗ trợ một máy tính lượng tử nguyên tử trung tính lớn ở Đan Mạch, đồng thời phát triển “qubit tôpô” có rủi ro cao và có lợi nhuận cao.
Chip Majorana 1 của họ nhằm mục đích tạo ra các qubit vốn đã ổn định, về mặt lý thuyết có thể loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sửa lỗi phức tạp, mặc dù công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm.
Mỗi phương pháp đều đặt ra những thách thức kỹ thuật to lớn và nó vẫn chưa rõ điều gì cuối cùng sẽ chứng minh được khả năng mở rộng và thực tế nhất.
Tuy nhiên, sự tiến bộ là không thể phủ nhận. Winfried Hensinger, giáo sư tại Đại học Sussex, lưu ý rằng công trình của Google là “một bằng chứng thuyết phục khác cho thấy máy tính lượng tử đang dần trở nên mạnh mẽ hơn.”
Cuối cùng, thông báo của Google đã định hình lại cuộc đua lượng tử. Cuộc thi không còn chỉ là về số lượng qubit thô hay tốc độ lý thuyết mà là về việc xây dựng các hệ thống có thể tạo ra kết quả có thể kiểm chứng, lặp lại và cuối cùng là hữu ích.
Mặc dù ngành vẫn chưa đạt đến “thời điểm ChatGPT”, nhưng bước đột phá này đã đưa ngày đó đến gần hơn đáng kể.
