Google, một trong những công ty lớn trong lĩnh vực nghiên cứu điện toán lượng tử, vừa công bố con chip mới có tên Willow. Được cấu thành từ 105 qubit, con chip siêu dẫn này có hiệu suất chưa từng có và có khả năng giảm lỗi theo cấp số nhân, giải quyết một trong những cạm bẫy quan trọng nhất mà máy tính lượng tử gặp phải. Điều này thực sự sẽ mở đường cho một kỷ nguyên mới, ngay cả khi vẫn còn một chặng đường dài phía trước.
Một qubit, viết tắt của “bit lượng tử” (hay “bit lượng tử”), là đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử. Không giống như bit cổ điển chỉ có thể nhận giá trị 0 hoặc 1, qubit có thể chồng chập cả hai trạng thái này. Tính chất độc đáo này cho phép máy tính lượng tử khám phá một số lượng lớn các khả năng cùng một lúc, mở đường cho các khả năng tính toán chưa từng có.
Thật không may, qubit là hệ thống cực kỳ mong manh và nhạy cảm với các nhiễu loạn trong môi trường của chúng. Các lỗi lượng tử, chẳng hạn như lỗi bit-flip (một qubit chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác), lỗi phase-flip (sự thay đổi pha tương đối giữa hai trạng thái của một qubit), lỗi rò rỉ (lỗi điều khiển hoặc đo lường khiến qubit không sử dụng được) hoặc mực mất tính kết hợp (mất thông tin lượng tử theo thời gian), có thể xảy ra và làm thay đổi thông tin được lưu trữ trong qubit, làm giảm độ tin cậy của các phép tính.
Điểm mạnh thực sự của Willow nằm chính ở khả năng triển khai sửa lỗi lượng tử một cách hiệu quả. Kỹ thuật được sử dụng, đã được lý thuyết hóa trong gần 30 năm, nhằm mục đích bảo vệ thông tin lượng tử bằng cách nhóm các qubit vật lý thành các mạng gọi là "mã bề mặt". Mỗi mã bề mặt sử dụng một mảng qubit hình vuông để tạo thành qubit logic mạnh mẽ hơn. Lý thuyết dự đoán rằng mã bề mặt càng lớn thì qubit logic càng được bảo vệ nhiều hơn và hiệu suất càng tốt.
Qubit logic có kích thước tăng dần © Google Tuy nhiên, việc tăng kích thước mạng cũng có nghĩa là tăng khả năng xảy ra lỗi. Willow đánh dấu bước đột phá khi chứng minh khả năng giảm lỗi theo cấp số nhân khi tăng kích thước mã bề mặt. Nói cách khác, mỗi khi kích thước mạng tăng lên, tỷ lệ lỗi được mã hóa sẽ được chia nhỏ. Những kết quả này xác nhận các dự đoán lý thuyết và chứng minh rằng việc hiệu chỉnh lỗi lượng tử thực sự có thể thực hiện được. Do đó, Willow trở thành nguyên mẫu đầu tiên thực sự thuyết phục về qubit logic có khả năng mở rộng, có khả năng khắc phục những hạn chế của các thành phần vật lý của nó.
Để đánh giá hiệu suất của Willow, Google đã sử dụng một chuẩn mực chuẩn gọi là RCS (Lấy mẫu mạch ngẫu nhiên). Nó bao gồm việc thực hiện các mạch lượng tử ngẫu nhiên, bao gồm các cổng lượng tử được áp dụng theo thứ tự tùy ý, trên một bộ xử lý lượng tử. Bộ xử lý sau đó tạo ra một loạt kết quả tương ứng với phép đo qubit ở đầu ra của mạch. Khó khăn đối với máy tính cổ điển nằm ở việc mô phỏng các mạch ngẫu nhiên này và tái tạo phân phối xác suất của kết quả đo lường.
Được coi là một trong những bài kiểm tra khó nhất đối với máy tính cổ điển, bài kiểm tra này cho phép chúng ta so sánh hiệu quả khả năng của máy tính lượng tử với siêu máy tính. Và kết quả mà Willow thu được thật phi thường: con chip đã thực hiện trong vòng chưa đầy năm phút một phép tính mà một trong những siêu máy tính mạnh nhất hiện nay phải mất 10 septillion năm (tức là 1025 năm, hoặc một số 1 theo sau là 25 số 0). Con số này, vượt xa tuổi của vũ trụ, minh họa một cách ngoạn mục tiềm năng của máy tính lượng tử.
Willow được định vị là con chip hiệu quả nhất hiện nay, xét về cả khả năng sửa lỗi và hiệu suất chuẩn RCS. Thời gian kết hợp, thước đo thời gian qubit có thể duy trì trạng thái lượng tử của chúng, cũng đã được cải thiện đáng kể, đạt gần 100 micro giây. Những màn trình diễn này khẳng định rằng điện toán lượng tử đang bước vào một kỷ nguyên mới, với khả năng tính toán mà các máy móc truyền thống không thể tiếp cận được và điện toán “nhị phân”.
Bất chấp những tiến bộ này, con đường dẫn đến các ứng dụng lượng tử cụ thể vẫn còn dài. Thách thức tiếp theo đối với lĩnh vực này là chứng minh phép tính hữu ích đầu tiên trên chip lượng tử hiện tại, có liên quan đến ứng dụng thực tế. Cho đến nay, các thí nghiệm tập trung vào các chuẩn mực như RCS, đo hiệu suất tổng hợp so với máy tính cổ điển nhưng không có ứng dụng thực tế nào được biết đến, hoặc vào các mô phỏng hệ thống lượng tử thú vị về mặt khoa học nhưng vẫn khả thi trong thời gian hợp lý trên máy tính cổ điển.
Mục tiêu hiện nay là kết hợp hai khía cạnh này: tạo ra các thuật toán mà máy tính cổ điển không thể tiếp cận được nhưng vẫn hữu ích cho các vấn đề cụ thể. Google lạc quan rằng thế hệ chip Willow sẽ đạt được mục tiêu này. Công ty cũng khuyến khích sự hợp tác và đổi mới bằng cách cung cấp phần mềm nguồn mở và tài nguyên giáo dục cho các nhà nghiên cứu, kỹ sư và nhà phát triển.
Nguồn: Google Quantum AI
Qubit và lỗi lượng tử: chúng ta đang nói về điều gì?
Một qubit, viết tắt của “bit lượng tử” (hay “bit lượng tử”), là đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử. Không giống như bit cổ điển chỉ có thể nhận giá trị 0 hoặc 1, qubit có thể chồng chập cả hai trạng thái này. Tính chất độc đáo này cho phép máy tính lượng tử khám phá một số lượng lớn các khả năng cùng một lúc, mở đường cho các khả năng tính toán chưa từng có.
Thật không may, qubit là hệ thống cực kỳ mong manh và nhạy cảm với các nhiễu loạn trong môi trường của chúng. Các lỗi lượng tử, chẳng hạn như lỗi bit-flip (một qubit chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác), lỗi phase-flip (sự thay đổi pha tương đối giữa hai trạng thái của một qubit), lỗi rò rỉ (lỗi điều khiển hoặc đo lường khiến qubit không sử dụng được) hoặc mực mất tính kết hợp (mất thông tin lượng tử theo thời gian), có thể xảy ra và làm thay đổi thông tin được lưu trữ trong qubit, làm giảm độ tin cậy của các phép tính.
Willow: bước tiến vượt bậc trong sửa lỗi
Điểm mạnh thực sự của Willow nằm chính ở khả năng triển khai sửa lỗi lượng tử một cách hiệu quả. Kỹ thuật được sử dụng, đã được lý thuyết hóa trong gần 30 năm, nhằm mục đích bảo vệ thông tin lượng tử bằng cách nhóm các qubit vật lý thành các mạng gọi là "mã bề mặt". Mỗi mã bề mặt sử dụng một mảng qubit hình vuông để tạo thành qubit logic mạnh mẽ hơn. Lý thuyết dự đoán rằng mã bề mặt càng lớn thì qubit logic càng được bảo vệ nhiều hơn và hiệu suất càng tốt.
Hiệu suất đáng kinh ngạc so với các siêu máy tính thông thường
Để đánh giá hiệu suất của Willow, Google đã sử dụng một chuẩn mực chuẩn gọi là RCS (Lấy mẫu mạch ngẫu nhiên). Nó bao gồm việc thực hiện các mạch lượng tử ngẫu nhiên, bao gồm các cổng lượng tử được áp dụng theo thứ tự tùy ý, trên một bộ xử lý lượng tử. Bộ xử lý sau đó tạo ra một loạt kết quả tương ứng với phép đo qubit ở đầu ra của mạch. Khó khăn đối với máy tính cổ điển nằm ở việc mô phỏng các mạch ngẫu nhiên này và tái tạo phân phối xác suất của kết quả đo lường.
Được coi là một trong những bài kiểm tra khó nhất đối với máy tính cổ điển, bài kiểm tra này cho phép chúng ta so sánh hiệu quả khả năng của máy tính lượng tử với siêu máy tính. Và kết quả mà Willow thu được thật phi thường: con chip đã thực hiện trong vòng chưa đầy năm phút một phép tính mà một trong những siêu máy tính mạnh nhất hiện nay phải mất 10 septillion năm (tức là 1025 năm, hoặc một số 1 theo sau là 25 số 0). Con số này, vượt xa tuổi của vũ trụ, minh họa một cách ngoạn mục tiềm năng của máy tính lượng tử.
Willow được định vị là con chip hiệu quả nhất hiện nay, xét về cả khả năng sửa lỗi và hiệu suất chuẩn RCS. Thời gian kết hợp, thước đo thời gian qubit có thể duy trì trạng thái lượng tử của chúng, cũng đã được cải thiện đáng kể, đạt gần 100 micro giây. Những màn trình diễn này khẳng định rằng điện toán lượng tử đang bước vào một kỷ nguyên mới, với khả năng tính toán mà các máy móc truyền thống không thể tiếp cận được và điện toán “nhị phân”.
Hướng tới các ứng dụng cụ thể của điện toán lượng tử?
Bất chấp những tiến bộ này, con đường dẫn đến các ứng dụng lượng tử cụ thể vẫn còn dài. Thách thức tiếp theo đối với lĩnh vực này là chứng minh phép tính hữu ích đầu tiên trên chip lượng tử hiện tại, có liên quan đến ứng dụng thực tế. Cho đến nay, các thí nghiệm tập trung vào các chuẩn mực như RCS, đo hiệu suất tổng hợp so với máy tính cổ điển nhưng không có ứng dụng thực tế nào được biết đến, hoặc vào các mô phỏng hệ thống lượng tử thú vị về mặt khoa học nhưng vẫn khả thi trong thời gian hợp lý trên máy tính cổ điển.
Mục tiêu hiện nay là kết hợp hai khía cạnh này: tạo ra các thuật toán mà máy tính cổ điển không thể tiếp cận được nhưng vẫn hữu ích cho các vấn đề cụ thể. Google lạc quan rằng thế hệ chip Willow sẽ đạt được mục tiêu này. Công ty cũng khuyến khích sự hợp tác và đổi mới bằng cách cung cấp phần mềm nguồn mở và tài nguyên giáo dục cho các nhà nghiên cứu, kỹ sư và nhà phát triển.
Nguồn: Google Quantum AI
