Google Willow ra mắt: Siêu chip lượng tử nhanh gấp 13.000 lần siêu máy tính truyền thống

Google vừa công bố một bước đột phá lớn trong điện toán lượng tử, tuyên bố đạt được điều mà hãng gọi là “lợi thế lượng tử có thể xác minh được” (verifiable quantum advantage). Với bộ xử lý lượng tử mới mang tên Willow, Google đã chứng minh khả năng chạy thuật toán

Quantum Echoes – nhanh hơn tới 13.000 lần so với các siêu máy tính truyền thống, đồng thời cho ra kết quả có thể lặp lại và kiểm chứng chéo giữa các hệ thống lượng tử khác nhau.

Đây được xem là bước tiến thực sự hướng tới điện toán lượng tử ứng dụng, hứa hẹn mở ra những đột phá mới trong các lĩnh vực như hóa học, sinh học và khoa học vật liệu.

“Thước đo phân tử” thế hệ mới

Trong thí nghiệm, Google đã hợp tác với các nhà khoa học tại Đại học California, Berkeley để sử dụng thuật toán Quantum Echoes trong phân tích cấu trúc phân tử. Hai phân tử được nghiên cứu gồm một loại có 15 nguyên tử và một loại khác có 28 nguyên tử. Kết quả thu được trùng khớp với dữ liệu từ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), nhưng đồng thời còn tiết lộ thêm chi tiết cấu trúc mà NMR thông thường không phát hiện được.

Google gọi phương pháp này là “molecular ruler” – hay “thước đo phân tử”, có khả năng đo đạc khoảng cách và cấu trúc vi mô vốn nằm ngoài tầm với của các công cụ khoa học truyền thống.

Cách hoạt động của Quantum Echoes

Thuật toán Quantum Echoes cho phép tính toán động lực học của các hệ lượng tử với độ chính xác chưa từng có. Cơ chế hoạt động của nó được mô tả như “lắng nghe tiếng vọng trong hệ lượng tử”:

• Một tín hiệu được gửi vào mạng lưới các qubit.

• Một qubit bị “nhiễu loạn” có chủ đích.

• Hệ thống được đảo ngược tiến trình để “nghe” tiếng vọng (echo) phản hồi.

Khi các “tiếng vọng lượng tử” này được khuếch đại nhờ hiện tượng giao thoa tăng cường (constructive interference), chúng cho phép các nhà khoa học quan sát cách năng lượng và nhiễu loạn lan truyền qua mảng 105 qubit của chip Willow.

Quantum Echoes được phát triển dựa trên Random Circuit Sampling, bài kiểm tra từng giúp Google chứng minh “ưu thế lượng tử” năm 2019. Tuy nhiên, điểm khác biệt quan trọng lần này là tính xác minh — khả năng tái tạo kết quả trên các máy lượng tử khác có cùng chất lượng, điều mà chưa thuật toán lượng tử nào làm được trước đây.

Thành tựu này dựa trên nền tảng của chip Willow, thế hệ kế nhiệm của Sycamore – bộ xử lý từng giúp Google đạt “quyền tối thượng lượng tử” (quantum supremacy) vào năm 2019. Nếu như Sycamore chỉ chứng minh được khả năng tính toán vượt trội ở mức thử nghiệm, thì Willow lại hướng tới tính ứng dụng thực tiễn và khả năng kiểm chứng khoa học.

Bước tiến mới cho ngành lượng tử

Khó khăn lớn nhất của điện toán lượng tử suốt nhiều năm qua là thiếu cơ chế kiểm chứng kết quả, khiến nhiều người hoài nghi về giá trị thực tế của nó. Nhưng với Quantum Echoes và chip Willow, Google đã phá vỡ rào cản đó — chứng minh rằng máy tính lượng tử có thể tạo ra các kết quả khoa học thực sự, có thể lặp lại và xác minh được.