Willow là gì? Giải thích về chip lượng tử đột phá của Google

Willow là một chip tính toán lượng tử được phát triển bởi Google và được công bố vào cuối năm 2024. Nó có thể thực hiện các phép tính phức tạp trong vòng vài phút, trong khi các siêu máy tính cổ điển sẽ mất 10 triệu triệu triệu năm (10 septillion years).

Willow của Google đã đánh dấu một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực tính toán lượng tử về tốc độ và cách thức thực hiện các kỹ thuật sửa lỗi. Nó cũng chứng minh rằng tỷ lệ lỗi của máy tính lượng tử có thể được giảm thiểu khi thêm nhiều bit lượng tử (qubits) hơn, gợi ý rằng có thể tạo ra các hệ thống lượng tử lớn hơn trong tương lai sẽ thực hiện các phép tính đáng tin cậy hơn.

Willow có thể thực hiện các phép tính lượng tử với những cải tiến đáng kể trong việc sửa lỗi và tính ổn định bằng cách sử dụng 105 qubits — gấp đôi so với người tiền nhiệm. Điều này có nghĩa là tất cả các lĩnh vực hiện đang sử dụng tính toán lượng tử trong các khu vực hạn chế, như khám phá thuốc, sẽ trở nên hiệu quả và triển vọng hơn. Hiện tại, Willow chủ yếu được sử dụng bởi Google Quantum AI cho mục đích nghiên cứu và phát triển.

Chip lượng tử Willow hoạt động như thế nào?

Trong tính toán cổ điển, thông tin được truyền tải vật lý bằng các xung điện áp — hoặc ánh sáng, khi được sử dụng trong cáp quang. Các tín hiệu vật lý này được biểu diễn dưới dạng số bằng các bit nhị phân có giá trị 1 hoặc 0.

Tuy nhiên, tính toán lượng tử sử dụng bản chất của các hạt hạ nguyên tử để thực hiện các phép tính. Thay vì sử dụng các bit nhị phân, máy tính lượng tử sử dụng qubits. Chúng sử dụng các bit 1 và 0 giống như tính toán cổ điển, nhưng thêm một trạng thái chồng chất đại diện cho 0, 1 và bất kỳ vị trí nào ở giữa.

Tuy nhiên, qubits gặp phải một vài vấn đề trong thực tế. Một là, chúng dễ bị nhiễu — bất cứ thứ gì có thể gây ra lỗi, như điều kiện môi trường hoặc một thao tác được áp dụng sai — và chúng chỉ có thể duy trì trạng thái lượng tử trong thời gian ngắn.

Chip lượng tử Willow cố gắng giải quyết những vấn đề này. Ví dụ, nó sử dụng transmon qubits, một loại qubit cụ thể giúp giảm độ nhạy cảm với nhiễu, để thực hiện các phép tính lượng tử.

Các qubits logic — qubits được sửa lỗi — được sử dụng trong Willow được sắp xếp trong một mạng lưới bảy nhân bảy, cho phép kiến trúc có thể mở rộng hơn để sửa lỗi. Cấu trúc mạng lưới này xác nhận rằng các qubits logic lớn hơn có thể hiệu quả hơn trong việc ngăn chặn lỗi so với các mạng lưới nhỏ hơn.

Willow cũng cải thiện thời gian một qubit có thể duy trì trạng thái lượng tử từ 20 micro giây đến 100 micro giây, cho phép máy tính lượng tử chạy các bài toán phức tạp hơn.

Tại sao Willow của Google có ý nghĩa quan trọng đối với tính toán lượng tử?

Chip Willow có ý nghĩa quan trọng vì đột phá trong việc sửa lỗi.

Các máy tính lượng tử ngày nay nói chung có nhiều nhiễu có thể gây ra lỗi. Ví dụ, các máy tính lượng tử hiện đại có thể gặp phải những vấn đề sau:

• Sự mất kết hợp qubit khi qubits bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh
• Lỗi cổng khi một thao tác lượng tử được áp dụng cho qubit một cách sai
• Lỗi đo lường khi một qubit ở trạng thái đúng được đọc sai

Sửa lỗi lượng tử cố gắng phát hiện và sửa lỗi khi chúng xảy ra. Quá trình này dựa vào tính dư thừa để loại bỏ lỗi. Trong chiến lược này, các giá trị qubit đơn được gán cho nhiều qubits để nếu thậm chí một vài qubits gặp lỗi, hệ thống vẫn có thể nhận ra và trả về thông tin chính xác.

Vấn đề với quá trình này là khả năng mở rộng. Thông thường, sửa lỗi chỉ hoạt động đáng tin cậy khi nó hoạt động dưới một ngưỡng lỗi cụ thể. Nếu các qubits quá dễ xảy ra lỗi, việc thêm nhiều hơn sẽ không giúp ích. Willow chứng minh rằng việc tăng kích thước của các qubits được sửa lỗi có thể giảm tỷ lệ lỗi tổng thể. Điều này đưa ngành công nghiệp tiến gần hơn một bước đến việc tạo ra các máy tính lượng tử lớn hơn, chịu lỗi tốt hơn.

Willow có thể được sử dụng cho những gì?

Hiện tại, không có lộ trình cho việc cung cấp thương mại rộng rãi hơn của Willow. Tuy nhiên, khả năng của nó báo hiệu giá trị gia tăng để sử dụng trong các lĩnh vực mà tính toán lượng tử thường xuất sắc. Tính toán lượng tử rất phù hợp cho bất cứ thứ gì đòi hỏi mô phỏng tiên tiến và giải quyết vấn đề phức tạp, bao gồm:

• Trí tuệ nhân tạo (AI)
• An ninh mạng
• Khám phá thuốc
• Mô hình tài chính
• Khoa học vật liệu

Do chi phí và hạn chế phần cứng, việc hầu hết các tổ chức sở hữu máy tính lượng tử ngày nay là không thực tế. Thay vào đó, các tổ chức có thể truy cập dịch vụ dựa trên đám mây thông qua bên thứ ba cung cấp công nghệ tính toán lượng tử, được gọi là lượng tử như một dịch vụ (QaaS). Tuy nhiên, Willow hiện không có sẵn trong gói QaaS.

Những người tiền nhiệm của chip Willow

Willow được xây dựng trên phần cứng lượng tử trước đây của Google Quantum AI, bộ xử lý Sycamore. Năm 2019, Google tuyên bố rằng Sycamore đã đạt được ưu thế lượng tử — một điểm mà tại đó thiết bị lượng tử có thể giải quyết một vấn đề nhanh hơn theo cấp số nhân so với bộ xử lý cổ điển. Sycamore mất khoảng 200 giây để lấy mẫu một thể hiện của mạch lượng tử 1 triệu lần, điều mà một siêu máy tính cổ điển sẽ mất gần 10.000 năm để thực hiện, theo Google. Sycamore có 53 qubits vật lý so với 105 của Willow.

Năm 2023, các nhà nghiên cứu Google Quantum AI đã trình diễn nguyên mẫu qubit logic. Cả hai tiến bộ sau đó đã được áp dụng để tạo ra Willow.

Điều gì tiếp theo cho việc phát triển chip lượng tử?

Google đang định vị Willow như một bước hướng tới việc phát triển máy tính lượng tử hữu ích với các ứng dụng thực tế. Hiện tại, Willow đang thúc đẩy lộ trình tính toán lượng tử của Google, đẩy lĩnh vực này theo hướng tích cực.

Google không phải là công ty duy nhất thúc đẩy lĩnh vực này. Những công ty khác, như IBM, Intel, IonQ, Microsoft và Xanadu, cũng đang phát triển phần cứng lượng tử có thể đẩy ngành công nghiệp tiến lên.

Willow có thể ảnh hưởng đến các thiết kế chip tương lai và cải tiến trong việc sửa lỗi.

Những tiến bộ trong tính toán lượng tử cũng tạo ra mối đe dọa ngày càng tăng đối với các tiêu chuẩn mã hóa hiện tại. Hầu hết các sơ đồ mã hóa hiện đại dựa trên các bài toán toán học mà máy tính cổ điển không thể giải quyết hiệu quả, nhưng máy tính lượng tử có tiềm năng ngày càng tăng.

Thuật toán Shor, ví dụ, là một thuật toán lượng tử có khả năng phân tích các số nguyên lớn nhanh hơn nhiều so với tính toán cổ điển. Khi lĩnh vực lượng tử tiến bộ, các tổ chức nên chuẩn bị tốt hơn để thúc đẩy việc áp dụng các tiêu chuẩn mã hóa mật mã hậu lượng tử.