Sau nhiều năm nghiên cứu và thử nghiệm, Google đã đạt được một bước tiến lớn trong lĩnh vực điện toán lượng tử, khi chứng minh được chip lượng tử của họ có thể giải quyết các vấn đề thực tế trong thế giới hiện đại.
Trước đó, vào năm 2019, Google đã công bố thành tựu đáng chú ý là đạt được ưu thế lượng tử (quantum supremacy) bằng cách sử dụng chip Sycamore. Chip này đã giải quyết một bài toán phức tạp chỉ trong 200 giây, trong khi siêu máy tính Summit của IBM cần đến 10.000 năm để hoàn thành nhiệm vụ tương tự. Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học lúc đó đã chỉ trích thành tựu này vì bài toán mà chip Sycamore giải quyết không có ứng dụng thực tế.
Mới đây, Google đã cho thấy họ tiếp tục là một trong những công ty tiên phong trong công nghệ lượng tử với việc ra mắt chip lượng tử thế hệ mới mang tên Willow. Đây là lần đầu tiên trong lịch sử, một chip lượng tử có thể chứng minh sức mạnh thực sự khi xử lý nhanh hơn 13.000 lần so với siêu máy tính nhanh nhất hiện nay, ngay cả khi giải quyết một thuật toán thực tế. Thành tựu này không chỉ đáng chú ý ở tốc độ mà còn ở khả năng kiểm chứng lại kết quả, không chỉ bằng các máy tính lượng tử tương đương mà còn thông qua các thí nghiệm vật lý thực tế. Điều này mở ra khả năng ứng dụng thực tiễn cho công nghệ lượng tử trong tương lai gần.
Chìa khóa của bước đột phá này chính là thuật toán Quantum Echoes, hay "Tiếng Vang Lượng Tử". Khác biệt lớn nhất của thuật toán này là khả năng kiểm chứng độc lập, giúp các nhà khoa học có thể lặp lại kết quả trên máy tính lượng tử khác và xác minh tính chính xác của nó. Đây là yếu tố then chốt để đưa công nghệ lượng tử gần hơn với việc trở thành công cụ thực tế trong các ngành công nghiệp. Tom O'Brien, nhà khoa học nghiên cứu cấp cao tại Google Quantum AI, cho biết khả năng kiểm chứng này là một bước tiến quan trọng, vì cả phần cứng và phần mềm phải hợp tác chặt chẽ để máy tính lượng tử có thể giải quyết các vấn đề trong tương lai, giống như cách các phần mềm trong máy tính truyền thống phát triển.
Về mặt kỹ thuật, thuật toán Quantum Echoes hoạt động giống như một tiếng vang tinh vi, nơi các nhà khoa học gửi tín hiệu vào hệ thống lượng tử của chip Willow và đảo ngược quá trình phát triển của tín hiệu để "nghe" tiếng vang phản hồi. Độ nhạy cực cao của "tiếng vang lượng tử" này là nhờ hiện tượng giao thoa xây dựng, khi các sóng lượng tử cộng lại để tạo ra độ nhạy đo lường cực kỳ chính xác.
Thành tựu này là kết quả của nhiều năm nghiên cứu và 6 năm liên tục đột phá từ Google. Sau khi chứng minh khả năng vượt trội của máy tính lượng tử vào năm 2019, với chip Willow, Google đã giải quyết một vấn đề lớn mà các nhà khoa học đã phải đối mặt trong suốt ba thập kỷ qua. Giờ đây, với thuật toán Quantum Echoes, máy tính lượng tử đã tiến gần hơn đến việc thúc đẩy các khám phá quan trọng trong các lĩnh vực như y học và khoa học vật liệu.
Một cách dễ hiểu để minh họa tầm quan trọng của bước đột phá này là so sánh với công nghệ sonar. Trước kia, công nghệ này chỉ có thể phát hiện một xác tàu dưới đáy biển với hình ảnh mờ nhạt. Tuy nhiên, với độ chính xác của chip Willow, các nhà khoa học không chỉ có thể tìm thấy tàu mà còn có thể đọc được cả tên tàu trên thân. Thuật toán Quantum Echoes đã được chứng minh có thể phân tích cấu trúc phân tử, chẳng hạn như tính toán khoảng cách giữa các nguyên tử, và đặc biệt, phương pháp này có thể cung cấp thông tin chi tiết mà các phương pháp truyền thống như NMR (Cộng Hưởng Từ Hạt Nhân) không thể làm được.
Trong một thí nghiệm hợp tác với Đại học California, Berkeley, nhóm nghiên cứu đã sử dụng chip Willow để phân tích hai phân tử với số lượng nguyên tử lần lượt là 15 và 28. Kết quả thu được hoàn toàn khớp với kết quả từ phương pháp NMR truyền thống và còn cung cấp thêm những thông tin mà NMR không thể phát hiện.
Với những ứng dụng tiềm năng, công nghệ này có thể giúp phát hiện thuốc mới, cải thiện khả năng xác định cách các loại thuốc tiềm năng liên kết với các mục tiêu sinh học. Trong khoa học vật liệu, nó có thể hỗ trợ thiết kế các vật liệu mới như pin, polymer, và vật liệu lượng tử. Các nhà khoa học tại Google tin rằng máy tính lượng tử sẽ đóng vai trò then chốt trong việc mô hình hóa các hiện tượng cơ học lượng tử, chẳng hạn như tương tác giữa các nguyên tử và cấu trúc phân tử.
Dù vậy, để có thể áp dụng công nghệ này vào thực tiễn, như trong việc phát hiện thuốc và thiết kế vật liệu, ngành công nghiệp vẫn cần một máy tính lượng tử mạnh mẽ hơn gấp 10.000 lần so với các máy tính hiện nay. Tuy nhiên, điều này không làm giảm ý nghĩa của thành tựu hiện tại mà còn cho thấy một lộ trình rõ ràng cho sự phát triển trong tương lai.
Mới đây, nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature, khẳng định tầm quan trọng của công trình. Google hiện đang tập trung vào bước tiếp theo trong lộ trình phát triển phần cứng lượng tử của mình, đó là tạo ra qubit logic có khả năng tồn tại lâu dài. Đây là bước quan trọng để xây dựng máy tính lượng tử có khả năng sửa lỗi quy mô đầy đủ, mở ra nhiều khả năng ứng dụng thực tế hơn nữa trong tương lai.
