Chip lượng tử Google nhanh hơn siêu máy tính hàng tỷ lần

Các nhà khoa học của Google đã tạo ra bộ xử lý lượng tử mới có khả năng giải quyết một bài toán trong vòng 5 phút. Cùng bài toán đó, siêu máy tính tốt nhất thế giới hiện nay mất đến 10^25 năm để hoàn thành - tức là thời gian ngắn đi khoảng 10^30 lần.

Thành tựu đột phá này đánh dấu cột mốc quan trọng, mở ra cơ hội giúp máy tính lượng tử mạnh mẽ hơn, và còn thiết thực hơn.

Máy tính lượng tử vốn dĩ dễ mắc lỗi (thuật ngữ gọi là "noisy"), tức là, nếu không có công nghệ sửa lỗi, cứ mỗi 1.000 qubit – đơn vị cơ bản của máy tính lượng tử – sẽ có một qubit gặp lỗi.

Điều này cũng có nghĩa là thời gian duy trì tính nhất quán (coherence time) của qubit, hay thời gian chúng ở trạng thái chồng chập để xử lý các phép tính song song, vẫn rất ngắn. Trong khi đó, ở máy tính truyền thống, cứ 1 tỷ tỷ bit mới có 1 bit bị lỗi, cho thấy sự ổn định vượt trội so với máy tính lượng tử hiện tại.

Tỷ lệ lỗi cao là một trong những rào cản chính trong việc mở rộng quy mô máy tính lượng tử, để chúng có thể vượt xa các siêu máy tính nhanh nhất hiện nay. Vì lý do này, các nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc chế tạo các máy tính lượng tử với qubit tốt hơn và ít lỗi hơn – thay vì chỉ tăng số lượng qubit.

Bộ xử lý lượng tử "Willow" mới được trang bị 105 qubit vật lý kết hợp với công nghệ sửa lỗi. (Ảnh: Google)

Google cho biết, đơn vị xử lý lượng tử (Quantum Processing Unit - QPU) mới của họ, có tên gọi "Willow", là bộ xử lý đầu tiên trên thế giới đạt được kết quả "dưới ngưỡng" (below threshold) – một cột mốc được nhà khoa học máy tính Peter Shor đề xuất trong bài báo vào năm 1995.

Trong bối cảnh tính toán lượng tử, "below threshold" (dưới ngưỡng) là khái niệm quan trọng liên quan đến khả năng chịu lỗi của hệ thống tính toán lượng tử. Nó chỉ trạng thái mà tỷ lệ lỗi của các qubit vật lý trong hệ thống thấp hơn một ngưỡng xác định. Đặc biệt, nếu tỷ lệ lỗi nằm dưới ngưỡng này, việc thêm nhiều qubit vật lý để tạo thành qubit logic sẽ khiến tỷ lệ lỗi giảm theo cấp số nhân. Điều này giúp cho khi quy mô hệ thống tăng lên, độ chính xác của tính toán lượng tử sẽ tăng lên thay vì giảm đi.

Nếu không đạt "dưới ngưỡng", việc thêm qubit sẽ chỉ làm tăng thêm lỗi, khiến hệ thống không thể hoạt động ổn định.

Qubit là đơn vị cơ bản trong máy tính lượng tử, nhưng chúng rất nhạy cảm và dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường (như nhiễu nhiệt hay từ trường), dẫn đến thông tin bị lỗi. Để khắc phục, các nhà khoa học Google sử dụng qubit logic, tức một nhóm qubit vật lý hoạt động cùng nhau để chia sẻ dữ liệu. Nếu một qubit trong nhóm gặp lỗi, phần còn lại vẫn đảm bảo thông tin không bị mất. Cơ chế này giống như sao lưu dữ liệu.

Chuyên gia Google đã tạo ra những qubit đáng tin cậy hơn để giảm lỗi nhanh chóng nhờ vào một số cải tiến. Họ cải thiện các quy trình hiệu chỉnh, sử dụng các kỹ thuật học máy để phát hiện lỗi nhanh hơn, và nâng cao cách thức chế tạo thiết bị. Quan trọng nhất, họ làm cho các qubit có thể duy trì sự ổn định lâu hơn, đồng thời vẫn có thể điều chỉnh chúng để đạt hiệu suất tốt nhất.

Lãnh đạo mảng phần cứng lượng tử của Google Quantum AI Julian Kellly bình luận: "Đây là thách thức lớn trong 30 năm qua mà Google đã vượt qua".

Các nhà nghiên cứu của Google đã thử nghiệm bộ xử lý Willow với bài kiểm tra random circuit sampling (RCS), hiện là một chỉ số chuẩn để đánh giá các chip máy tính lượng tử. Trong thử nghiệm này, Willow thực hiện một phép tính trong chưa đầy 5 phút, điều mà siêu máy tính nhanh nhất hiện nay sẽ mất đến 10^25 năm để hoàn thành. Thời gian này dài gấp gần 1 triệu tỷ (10^15) lần tuổi của vũ trụ.

Ứng dụng trong vật lý

Các nhà khoa học của Google đang đặt mục tiêu chứng minh khả năng tính toán hữu ích và thực tế cho các chip lượng tử hiện nay, thay vì chỉ dựa vào việc đánh giá hiệu suất qua các bài kiểm tra chuẩn.

Mục tiêu tiếp theo là xây dựng bộ xử lý chứa 1.457 qubit vật lý. (Ảnh: Google)

Trước đây, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các mô phỏng hệ thống lượng tử, dẫn đến những phát hiện và đột phá khoa học, như lời Kelly chia sẻ với Live Science.

Một ví dụ điển hình là việc phát hiện sai lệch trong các định lý vật lý đã có. Tuy nhiên, những kết quả này vẫn có thể được xử lý bởi các siêu máy tính cổ điển mạnh nhất hiện nay.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu muốn tạo ra một qubit logic rất, rất tốt với tỷ lệ lỗi chỉ là một trong một triệu. Để xây dựng được bộ xử lý này, họ sẽ cần phải kết nối 1.457 qubit vật lý, như nhóm nghiên cứu đã chia sẻ.

Lĩnh vực này rất thách thức vì không thể đạt được mục tiêu chỉ bằng phần cứng vật lý; sẽ cần công nghệ sửa lỗi được tích hợp thêm. Sau đó, các nhà khoa học muốn kết nối các qubit logic lại với nhau để vượt qua các siêu máy tính truyền thống trong cả việc đánh giá hiệu suất và các tình huống thực tế.

Thạch Anh