Chip lượng tử Google Willow lập bản đồ phân tử nhanh gấp 13.000 lần siêu máy tính

Bước ngoặt trong nghiên cứu cấu trúc phân tử

Ngày 22/10, Google công bố chip lượng tử Willow, bộ xử lý lượng tử thế hệ mới có khả năng lập bản đồ đặc điểm phân tử nhanh gấp 13.000 lần so với siêu máy tính mạnh nhất hiện nay. Đây được xem là lợi thế lượng tử đầu tiên có thể kiểm chứng trên phần cứng thực tế, đánh dấu một cột mốc trong hành trình thương mại hóa điện toán lượng tử.

Trong thử nghiệm, nhóm nghiên cứu của Google kết hợp bộ xử lý Willow với kỹ thuật Quantum Echoes (tiếng vang lượng tử) – phương pháp dùng sóng cộng hưởng để “chụp ảnh” chi tiết các vật thể ở cấp độ nguyên tử. Cụ thể, hệ thống gửi tín hiệu chính xác vào từng qubit (đơn vị lưu trữ thông tin trong máy tính lượng tử) để kích hoạt phản ứng, sau đó đảo ngược quá trình để thu về tín hiệu phản xạ.

Theo Google, “Quantum Echoes có thể giúp khám phá cấu trúc của những hệ thống tự nhiên phức tạp — từ phân tử, vật liệu từ tính cho đến lỗ đen.” Trong các thí nghiệm, Willow hoàn thành các phép mô phỏng nhanh hơn 13.000 lần so với thuật toán tiên tiến nhất trên siêu máy tính hiện đại.

Giới chuyên gia nhận định, đây là bước tiến lớn nhất kể từ khi điện toán lượng tử được phát triển, bởi lần đầu tiên một thí nghiệm như vậy có thể kiểm chứng, lặp lại và ứng dụng thực tế.

Mở đường cho “kính lượng tử” trong y học và vật liệu học

Theo Google, khả năng tính toán lượng tử của Willow sẽ tạo ra một loại “kính hiển vi lượng tử”, giúp con người nhìn thấy và đo lường những hiện tượng tự nhiên mà trước đây không thể quan sát bằng các thiết bị cổ điển.

Một trong những ứng dụng đầu tiên là Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) – nền tảng của công nghệ chụp MRI. Khi được tăng cường bởi máy tính lượng tử, NMR có thể xác định vị trí tương đối của từng nguyên tử trong phân tử, giúp các nhà khoa học hiểu sâu hơn về cấu trúc và động lực học phân tử. Từ đó, công nghệ này có thể rút ngắn thời gian phát triển thuốc mới, hỗ trợ thiết kế vật liệu pin, polymer hay chất siêu dẫn thế hệ mới.

Chip Willow, ra mắt tháng 12/2024, chỉ nhỏ bằng viên kẹo nhưng đủ mạnh để thực hiện trong 5 phút các tác vụ mà siêu máy tính cần tới 10 triệu tỷ tỷ năm. Trong khi đó, nó giảm thiểu lỗi tính toán theo cấp số nhân, vốn là trở ngại lớn nhất của điện toán lượng tử. Khi công bố kết quả, ngay cả tỷ phú Elon Musk cũng bày tỏ sự ngạc nhiên trước khả năng của bộ xử lý này.

Theo Google, sự kết hợp giữa Willow và Quantum Echoes không chỉ rút ngắn thời gian tính toán mà còn mở ra khả năng mô phỏng các hệ thống vật lý ở quy mô nguyên tử và lượng tử, điều mà các máy tính cổ điển gần như không thể đạt được.

Các chuyên gia tại Viện Công nghệ California (Caltech) nhận định, “Willow là bước tiến từ kính hiển vi sang kính lượng tử, mang đến công cụ để nghiên cứu thế giới vi mô một cách trực quan.”

Điện toán lượng tử hiện được kỳ vọng trở thành nền tảng cho thế hệ công nghệ tiếp theo, từ mô phỏng phản ứng hạt nhân, tối ưu hóa năng lượng mặt trời, phát triển AI tốc độ cao, cho tới các ứng dụng trong y học và vật liệu. Tuy nhiên, giới chuyên môn cũng cảnh báo rằng khả năng tính toán siêu việt của máy tính lượng tử có thể phá vỡ các hệ thống mã hóa hiện nay, tạo ra những thách thức lớn về bảo mật dữ liệu.

“Như kính thiên văn từng mở ra vũ trụ và kính hiển vi giúp khám phá vi sinh vật, máy tính lượng tử đang đưa chúng ta tiến gần hơn tới việc ‘nhìn thấy’ cấu trúc vật chất ở cấp độ hạ nguyên tử,” Google kết luận.