Trong nỗ lực đẩy xa ranh giới 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 . Kỹ thuật này kết hợp cả phương pháp analog và digital , mở ra hướng tiếp cận linh hoạt hơn trong việc nghiên cứu các hệ lượng tử phức tạp.
Các mô phỏng lượng tử truyền thống thường dựa vào hai cách tiếp cận chính: mô phỏng digital hoặc mô phỏng analog . Mô phỏng digital sử dụng các cổng logic lượng tử để từng bước xây dựng trạng thái lượng tử mong muốn, cung cấp sự linh hoạt trong thiết lập hệ thống. Trong khi đó, mô phỏng analog hoạt động bằng cách liên tục đo động lực học của toàn bộ hệ thống lượng tử, 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 này trên một trình mô phỏng lượng tử gồm 69 qubit siêu dẫn. Ban đầu, họ sử dụng các cổng digital để chuẩn bị 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 lại đưa mô phỏng trở về trạng thái digital để phân tích chi tiết hơn những trạng thái lượng tử phức tạp. Cách tiếp cận này giúp hệ thống phát triển trạng thái lượng tử nhanh hơn so với chỉ sử dụng phương pháp digital , đồng thời khắc phục một số hạn chế của mô phỏng analog thuần túy.
Trond Andersen, nhà nghiên cứu tại Google Quantum AI và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi rất phấn khích với phát hiện này vì nó có thể mở ra một con đường mới đầy hứa hẹn để ứng dụng máy tính lượng tử. Đây là những điều mà ngay cả những siêu máy tính cổ điển nhanh nhất cũng không thể thực hiện được”.
Trong quá trình kiểm tra 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 được dùng để mô tả cách đối xứng bị phá vỡ 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 khác biệt so với dự đoán lý thuyết.
“Khi chúng tôi nhận thấy sự sai lệch này, chúng tôi đã nghĩ rằng có thể có lỗi trong thí nghiệm”, Andersen chia sẻ. “Nhưng sau khi thực hiện nhiều thí nghiệm hơn, chúng tôi xác nhận rằng đó không phải là lỗi, mà là một hiện tượng vật lý mới”.
Khám phá này mở ra những câu hỏi thú vị về động lực học lượng tử và có thể cung cấp những hiểu biết mới về cách vật chất hoạt động trong điều kiện 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 thông tin và làm sụp đổ trạng thái lượng tử. Do đó, một trong những mục tiêu quan trọng của ngành là phát triển một máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi, có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài mà không bị ảnh hưởng bởi nhiễu.
Nghiên cứu mới của Google cho thấy phương pháp mô phỏng kết hợp có thể giúp xây dựng những hệ lượng tử mạnh mẽ hơn, mở ra hướng đi mới để tạo ra các máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi. Điều này có ý nghĩa rất lớn trong việc thực hiện các tính 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, nhưng công ty đã thay thế nó bằng bộ xử lý lượng tử Willow vào cuối năm 2023. Nếu như Sycamore từng giúp Google tuyên bố “quyền tối cao lượng tử” vào năm 2019 – khi thực hiện một phép tính trong 200 giây mà siêu máy tính cổ điển nhanh nhất sẽ mất 10.000 năm để giải quyết – thì Willow còn mạnh hơn nhiều.
Theo Google, Willow có thể thực hiện các tính toán mà ngay cả những siêu máy tính cổ điển nhanh nhất cũng phải mất 1 tỷ năm mới có thể hoàn thành. Sắp tới, nhóm nghiên cứu dự định sẽ tiếp tục kiểm tra phương pháp mô phỏng lượng tử kết hợp trên Willow, hứa hẹn những kết quả đầy thú vị.
Mục tiêu cuối cùng của ngành điện toán lượng tử là xây dựng một máy tính lượng tử thực sự mạnh mẽ, có thể giải quyết những bài toán mà không một siêu máy tính nào trên thế giới hiện nay có thể thực hiện. Google đang tiến gần hơn đến cột mốc quan trọng thứ ba trong lộ trình lượng tử của họ, hướng tới một máy tính lượng tử có khả năng sửa lỗi.
Dù một máy tính lượng tử hoàn thiện vẫn có thể mất hàng thập kỷ để phát triển, nhưng nhà khoa học trưởng của Google tin rằng trong vòng 5 năm tới, chúng ta sẽ thấy những ứng dụng thương mại đầu tiên của công nghệ này. Nếu điều đó trở thành hiện thực, điện toán lượng tử sẽ không chỉ là một lĩnh vực nghiên cứu học thuật mà còn có thể thay đổi toàn bộ ngành công nghiệp, từ trí tuệ nhân tạo, mô phỏng vật lý, dược phẩm, tài chính cho đến mật mã học.
Mặc dù còn nhiều thách thức phía trước, nghiên cứu mới của Google đã chứng minh rằng máy tính lượng tử đang tiến nhanh hơn bao giờ hết. Tương lai của công nghệ này có thể vẫn chưa rõ ràng, nhưng một điều chắc chắn là: nhân loại đang tiến gần hơn bao giờ hết đến một kỷ nguyên điện toán hoàn toàn mới.
