Tại sao siêu chip của Google tạo sự đột phá?

Willow, siêu chip mới ra mắt của Google, được đánh giá đã giải quyết thách thức tồn tại trong ngành điện toán lượng tử gần 30 năm.

"Một máy tính lượng tử tốt là cỗ máy có thể thực hiện trên một nghìn phép tính trước khi hệ thống xử lý gặp lỗi", Steve Brierley, CEO công ty chuyên xử lý lỗi Riverlane, nói với Business Insider.

Trong khi máy tính truyền thống dựa vào bit nhị phân - bật hoặc tắt, ký hiệu 1 và 0, để xử lý thông tin, máy tính lượng tử sử dụng bit lượng tử, hay qubit, làm nền tảng và có thể xử lý 0, 1 hoặc cả hai cùng lúc. Do thông tin cơ bản của máy tính lượng tử có thể biểu thị tất cả khả năng đồng thời, về lý thuyết chúng nhanh và mạnh hơn nhiều so với máy tính thông thường.

Trên máy tính, gồm cả máy tính lượng tử, việc xảy ra lỗi vốn không thể tránh khỏi. Máy tính thông thường sẽ sử dụng kỹ thuật sửa lỗi, như EEC với khả năng tự kiểm tra và sửa theo hệ thống thuật toán được lập trình logic, nhằm bảo vệ bộ nhớ khỏi hiện tượng "lật bit" (bit flip), tức tự chuyển đổi bit 0 sang 1 và ngược lại, khiến hệ thống hoạt động sai.

Với máy tính lượng tử, tình trạng lỗi bit phổ biến và khó sửa chữa hơn. Các qubit có thể gặp lỗi ở cả hai chiều: lật bit và lật pha (phase flip), tức qubit đột nhiên "đổi hướng" hoạt động và dẫn đến sự thiếu chính xác trong tính toán lượng tử. Cuối năm ngoái, Amazon từng công bố phát triển thành công chip lượng tử tự sửa lỗi, nhưng hiện chưa có thêm thông tin mới.

Khả năng giảm lỗi khi mở rộng qubit trong lĩnh vực điện toán lượng tử hiện nay được đánh giá là "dưới ngưỡng" - thách thức chưa được giải quyết từ năm 1995. Với chip Willow, Google cho biết đã thêm nhiều qubit nhằm đảm bảo hệ thống càng ít lỗi và khẳng định chip giảm lỗi theo cấp số nhân.

Trong chip, các nhà nghiên cứu tại Google sử dụng Random Circuit Sampling (RCS) để so sánh tốc độ tính toán giữa các công nghệ khác nhau. RCS là tiêu chuẩn trong điện toán lượng tử, cũng là chuẩn khó nhất cần vượt qua khi so sánh tốc độ tính toán.

Google cho biết, dù có kích thước như một viên kẹo, Willow có thể thực hiện phép tính chuẩn trong vòng chưa đầy 5 phút, điều mà những máy tính nhanh nhất thế giới có thể phải mất 10 triệu tỷ tỷ năm - thời gian lâu hơn cả tuổi thọ của vũ trụ mà nhân loại đang biết.

"Trong lĩnh vực lượng tử, việc sửa lỗi khó hơn nhiều và đòi hỏi nhiều phần cứng hơn để hoạt động bình thường, đó là lý do sự tiến bộ của Google quan trọng đến vậy", giáo sư Mark Saffman tại Đại học Wisconsin-Madison và Giám đốc Viện Lượng tử Wisconsin, nói với Business Insider.

Đối với Brierley của Riverlane, sự tiến bộ điện toán lượng tử của Google cũng tương đương những gì mạng di động trải qua khi chuyển từ thế hệ đầu tiên (1G) sang thế hệ hai (2G). "Khi chuyển từ 1G sang 2G, Qualcomm đã thêm chức năng sửa lỗi vào ngăn xếp và tạo ra hàng loạt khả năng mới, đây chính xác là những gì đang diễn ra trong điện toán lượng tử", ông nói.

Brierley đánh giá khả năng liên tục sửa lỗi là "phần quan trọng" trong xây dựng máy tính lượng tử. Khi các công ty có thể mở rộng quy mô qubit, thúc đẩy điện toán lượng tử tiến lên, họ có thể đạt đến "điểm ứng dụng" trong thế giới thực.

Nói với Fortune, giáo sư vật lý Javad Shabani, Giám đốc Trung tâm Vật lý thông tin lượng tử tại Đại học New York, nhận định đột phá của Google là "một trong những điểm nhấn của thập kỷ", thậm chí dự đoán máy tính lượng tử sẽ tiến gần hơn một bước trong ứng dụng thực tế.

Trước đó, khi Willow ra mắt, Elon Musk cũng bày tỏ sự kinh ngạc, đồng thời để ngỏ khả năng triển khai cụm máy dùng chip này lên vũ trụ.

Tác động thực tế "chưa đến ngay lập tức"

Khi ra mắt Willow, Google cho biết đã hợp tác với các công ty trong lĩnh vực dược phẩm, khoa học vật liệu và pin, cùng nhiều lĩnh vực khác nhằm khai thác và ứng dụng chip mới. Tuy nhiên, giới chuyên gia cho rằng cần ít nhất 5 năm nữa, chip mới có thể được ứng dụng vào đời thực.

"Tôi nghĩ ứng dụng của Willow và các mẫu máy tính lượng tử khác sẽ xuất hiện trong khoảng 5 năm tới. Tuy nhiên, việc dự đoán chính xác thời gian thực tế rất khó", Saffman nhận xét.

Giáo sư vật lý Kaden Hazzard tại Đại học Rice cho rằng khám phá của Google mang tính đột phá, nhưng không có nghĩa máy tính xách tay thông thường của người dùng sẽ sớm bị máy tính lượng tử thay thế. "Phải cần ít nhất vài năm nữa, chúng ta mới đạt được khả năng sử dụng máy tính lượng tử trực tiếp cho những mục đích có tính ứng dụng thực tế", ông nói với Fortune.

Đồng quan điểm, giáo sư máy tính lượng tử Sebastian Weidt, công tác tại Đại học Sussex và CEO công ty máy tính lượng tử Universal Quantum, cũng khẳng định "còn lâu nữa" máy tính lượng tử mới có thể tác động đến công chúng. Theo ông, điểm quan trọng nhất ngoài vấn đề sửa lỗi là cần đẩy số qubit lên hàng triệu để "mở khóa ứng dụng thế giới thực".

"Những lo ngại về việc Willow có khả năng giải mã những chuẩn mã hóa tiên tiến nhất cũng bị thổi phồng", phó giáo sư khoa học máy tính Tirthak Patel của Đại học Rice nói."Việc giải mật mã tiên tiến đòi hỏi chip nhanh hơn nhiều so với Willow. Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm cách tạo ra mã hóa chống lượng tử".

Tuy nhiên, sự tiến bộ của Google Willow đang đưa nghiên cứu điện toán lượng tử lên một tầm cao mới. Dù các nhà đầu tư có thể chưa thu được lợi ích ngay lập tức, Brierley cho biết thông tin về đột phá lượng tử sẽ giúp thu hút vốn và nhân tài vào lĩnh vực này.

"Vẫn còn rất xa để máy tính lượng tử hữu ích so với máy tính thông thường", Saffman nói với Business Insider. "Nhưng thành tựu của Google là một bước tiến dài".