Chip lượng tử Willow của Google trình diễn ưu thế lượng tử có thể kiểm chứng trên phần cứng

• "Một bước tiến lớn hướng tới các ứng dụng thực tế của điện toán lượng tử: thuật toán ‘Quantum Echoes’ của Google"
• Thuật toán Quantum Echoes chạy trên chip lượng tử Willow của Google và được công bố là trường hợp đầu tiên trên thế giới hiện thực hóa ưu thế lượng tử có thể kiểm chứng (Verifiable)
• Thuật toán này có thể tính toán cấu trúc phân tử và mô phỏng các hệ thống trong tự nhiên, đồng thời cho thấy hiệu năng nhanh hơn 13.000 lần so với các siêu máy tính tốc độ cao hiện nay
• Quantum Echoes hoạt động theo cách hoàn trả và đo ‘echo’ của tín hiệu lượng tử, khuếch đại các giao thoa cực nhỏ để cho phép tính toán với độ chính xác cực cao
• Trong thí nghiệm hợp tác với UC Berkeley, hệ thống đã dự đoán chính xác cấu trúc hình học của phân tử và còn nắm bắt được thông tin khoảng cách giữa các phân tử mà phương pháp NMR truyền thống không thể xác định
• Thành tựu lần này được đánh giá là một bước ngoặt quan trọng đưa điện toán lượng tử tiến vào các lĩnh vực công nghiệp thực tế như phát triển thuốc, khoa học vật liệu và nghiên cứu nhiệt hạch

---

Sự xuất hiện và ý nghĩa của thuật toán Quantum Echoes

• Thông qua nghiên cứu này, Google đã chứng minh rằng máy tính lượng tử có thể vượt qua siêu máy tính tốc độ cao mà vẫn kiểm chứng được kết quả
  • Điều này không chỉ là “ưu thế lượng tử (Quantum Supremacy)” đơn thuần, mà còn mang nghĩa một phép tính ‘có thể kiểm chứng’ có thể tái tạo cùng kết quả qua các thí nghiệm lặp lại
• Thuật toán OTOC (Out-of-Time-Order Correlator) được triển khai trên chip Willow hoạt động bằng cách đưa tín hiệu tiến lên, gây nhiễu một qubit, rồi đảo ngược quá trình để đo ‘echo’
  • Nhờ hiệu ứng giao thoa lượng tử (constructive interference), tín hiệu được khuếch đại nên có thể phát hiện cả những thay đổi rất nhỏ
• Chip Willow sử dụng mảng 105 qubit và hiện thực hóa phép đo chính xác này nhờ tỷ lệ lỗi thấp và tốc độ tính toán nhanh

Chip Willow và nền tảng kỹ thuật

• Willow là chip lượng tử mới nhất mà Google công bố trong năm 2024, một nền tảng đã cải thiện mạnh công nghệ triệt tiêu lỗi và giải quyết một bài toán khó kéo dài khoảng 30 năm
• Trong benchmark Random Circuit Sampling trước đó, Willow đã chứng minh hiệu năng vượt trội bằng cách tối đa hóa độ phức tạp của trạng thái lượng tử
• Quantum Echoes không phải là một thí nghiệm độ phức tạp đơn thuần mà là một dạng tính toán mới mô hình hóa các thí nghiệm vật lý, một bài kiểm thử đầy thách thức đòi hỏi phải xác minh cả độ chính xác lẫn độ phức tạp

Tính toán cấu trúc phân tử và kiểm chứng thực nghiệm

• Google và UC Berkeley đã cùng thực hiện thí nghiệm tính toán hình học phân tử dựa trên lượng tử
  • Áp dụng thuật toán Quantum Echoes cho hai phân tử gồm 15 và 28 nguyên tử
  • Kết quả vừa phù hợp với dữ liệu NMR (cộng hưởng từ hạt nhân) hiện có, vừa mới suy ra được thông tin khoảng cách giữa các phân tử vốn không thể quan sát bằng kỹ thuật truyền thống
• Qua đó, tiềm năng của Quantum Echoes như một công cụ mới có thể đo cấu trúc giống như ‘thước đo phân tử’ đã được chứng minh
  • Đặc biệt, công nghệ này có tiềm năng lớn trong phân tích vật liệu mới như cấu trúc liên kết của thuốc, vật liệu pin và polyme

Tiến triển hướng tới ứng dụng thực tế

• Thành tựu lần này được đánh giá là tín hiệu đầu tiên cho thấy máy tính lượng tử có thể tiếp cận việc giải quyết các bài toán công nghiệp thực tế trong y dược, khoa học sự sống và nghiên cứu vật liệu
• Quantum Echoes là một trường hợp minh chứng thực nghiệm cho thấy máy lượng tử có thể mô hình hóa chính xác các tương tác trong tự nhiên
  • Ví dụ: phân tích cấu trúc liên kết giữa ứng viên thuốc và protein, hoặc xác định cách sắp xếp phân tử của các vật liệu dẫn điện mới
• Hiện Google đang hướng tới ‘Milestone 3’, tức hiện thực hóa qubit logic (logical qubit) có tuổi thọ dài
  • Đây là bước then chốt sẽ dẫn tới việc phát triển máy tính lượng tử sửa lỗi hoàn chỉnh trong tương lai

Triển vọng sắp tới

• Quantum Echoes được ghi nhận là nghiên cứu đầu tiên đồng thời chứng minh ba yếu tố độ chính xác, khả năng tái lập và tính ứng dụng của tính toán lượng tử
• Thông qua nghiên cứu này, Google cũng đưa ra khái niệm “quantum-scope”, qua đó gợi mở khả năng về một công cụ mới để khám phá các hiện tượng tự nhiên trước đây không thể quan sát
• Những tiến bộ này được xem là bước ngoặt cho thấy công nghệ lượng tử đã vượt ra khỏi giai đoạn phòng thí nghiệm để tiến vào giai đoạn ứng dụng công nghiệp

[GN⁺]

Ý kiến trên Hacker News

• Tôi có Bitcoin nên xem bài nói chuyện ở DEFCON(https://www.youtube.com/watch?v=OkVYJx1iLNs) và khá lo về sự phát triển của máy tính lượng tử
  • Một số phương thức mật mã khóa công khai dễ bị thuật toán lượng tử tấn công, nhưng các phần cốt lõi của blockchain Bitcoin không bị ảnh hưởng trực tiếp. Ngay cả việc bẻ một khóa riêng bằng máy tính lượng tử cũng sẽ mất từ vài ngày đến vài tuần, nên vẫn có đủ cảnh báo sớm. Nhưng phần đáng lo hơn là độ an toàn của tin nhắn mã hóa đầu-cuối như WhatsApp và Signal. Những tin nhắn bị thu thập trên đường truyền có thể bị giải mã trong tương lai, vì vậy tốt hơn là nên nhanh chóng chuyển sang mật mã mạnh hơn. Gần đây Signal đã có bước tiến quan trọng ở mảng này (https://arstechnica.com/security/2025/10/why-signals-post-quantum-makeover-is-an-amazing-engineering-achievement/) (https://arxiv.org/pdf/2505.15917)
  • Mối đe dọa từ điện toán lượng tử đã là vấn đề được nhận thức rộng rãi. Vẫn còn đủ thời gian để xử lý nên các công việc vá và tăng cường đang diễn ra trên toàn thế giới. Nếu lo về tấn công mật mã bằng lượng tử, thì không chỉ tiền mã hóa mà gần như toàn bộ các dịch vụ số như ngân hàng, tài khoản môi giới, email, tin nhắn văn bản đều sẽ cùng gặp rủi ro
  • Mỗi lần tôi nhắc rằng điện toán lượng tử là mối đe dọa với bảo mật tiền mã hóa thì luôn nhận được rất nhiều phản đối. Đó là lúc cảm nhận rõ có rất nhiều HODLer tồn tại. Rốt cuộc, đầu tư vào tiền mã hóa ở một mức độ nào đó cũng là đang đặt cược vào tính khả thi của điện toán lượng tử
• Từ “verifiable” ở đây có nghĩa là “chạy hai lần ra cùng kết quả là được” sao? Quantum verifiability là có thể lặp lại cùng một đáp án trên chính máy tính lượng tử đó hoặc máy lượng tử cùng cấp để tạo sự tin cậy
  • Theo tôi biết, “tính có thể kiểm chứng” nghĩa là phải có cách chứng minh về mặt lý thuyết cho cả những người hoài nghi chỉ dùng máy tính cổ điển rằng thiết bị lượng tử đã hoạt động đúng. Đây là kiểu bằng chứng chặt chẽ như Mahadev(https://arxiv.org/abs/1804.01082), Aaronson(https://arxiv.org/abs/2209.06930) đã bàn tới. Các thí nghiệm RCS trước đây thiếu khả năng này, nên nếu đây thực sự là “ưu thế lượng tử có thể kiểm chứng” thì sẽ là bước tiến rất lớn, nhưng bài báo gần như không nói gì về chuyện đó. Khác với thông cáo báo chí, có vẻ họ không chứng minh được ưu thế mà chỉ mới chỉ ra một “hướng đi có triển vọng”
  • Trong bài báo không chỗ nào làm rõ chính khái niệm 'verifiability'. Theo cách tôi hiểu, các thí nghiệm ưu thế lượng tử trước đây là các bài toán lấy mẫu từ phân phối xác suất phức tạp nên rất khó kiểm tra xem đã làm đúng chưa. Còn thí nghiệm lần này cho ra giá trị đo là các con số rõ ràng, ví dụ có thể so sánh trực tiếp với hệ thực nghiệm khác hoặc máy tính khác, nên bản thân giá trị đo có thể được đối chiếu. Tuy vậy, ở các thí nghiệm trước thì kỳ vọng của các mẫu đều gần 0 nên trên thực tế khó quan sát. Xin lưu ý đây là suy đoán của tôi vì không có giải thích chính thức
  • Nó có nghĩa là vượt qua mức “máy của tôi chạy được” để đạt tới việc thuật toán hoạt động nhất quán trên nhiều máy tính lượng tử
  • Điểm cốt lõi của thí nghiệm này là đây là ví dụ đầu tiên mà “ưu thế lượng tử (quantum supremacy)” được kiểm chứng. Trong bài có câu: “Lần đầu tiên trong lịch sử, một máy tính lượng tử đã chạy thành công một thuật toán có thể kiểm chứng vượt quá năng lực của siêu máy tính”
  • Ý là lặp lại N lần, chứ không phải chỉ chạy 2 lần
• Nhìn những chỗ như “nhanh hơn 13.000 lần so với siêu máy tính nhanh nhất”, “tính kiểm chứng lượng tử là cùng kết quả liên tục xuất hiện trên máy của chúng tôi hoặc máy lượng tử cùng cấp”, “khớp với kết quả NMR nhưng còn hé lộ thêm thông tin mà NMR không thể biết” thì có vẻ cuối cùng ưu thế lượng tử thật sự đã được chứng minh
  • Lướt nhanh bài báo thì “thông tin vốn không thể biết bằng NMR” ở đây có nghĩa là họ đã tính được Jacobian và Hessian của Hamiltonian. Tức là chỉ cần chạy thí nghiệm lượng tử là có thể mô phỏng trực tiếp dynamics của hệ. Jacobian và Hessian là các ma trận đạo hàm bậc 1 và bậc 2 theo mọi tham số
• Tôi muốn nghe ý kiến của các chuyên gia về tính toán cổ điển đối với kết quả và tuyên bố lần này. Trước đây cũng từng có nhiều lần công bố ưu thế lượng tử rồi sau đó nhóm khác dùng thuật toán cổ điển tối ưu hơn để cho kết quả tốt hơn
• Chia sẻ thông tin về các bài báo liên quan
  Bài báo về ý tưởng: Quantum Computation of Molecular Structure Using Data from Challenging-To-Classically-Simulate Nuclear Magnetic Resonance Experiments(https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.3.030345).
  Kiểm chứng kết quả trên máy tính lượng tử khác (vẫn chưa làm): Observation of constructive interference at the edge of quantum ergodicity(https://www.nature.com/articles/s41586-025-09526-6)
• Tôi tò mò liệu kết quả lần này vẫn là bài toán RCS hay một bài toán tương tự. Theo tôi biết thì những gì máy tính lượng tử hiện nay làm được rốt cuộc vẫn gần như quy về việc “mô phỏng chính máy tính lượng tử”
  • Nó khá khác với các thí nghiệm random circuit sampling (RCS) nổi tiếng trước đây. Kết quả của RCS là một bitstring ngẫu nhiên không được mã hóa nên mỗi lần chạy đều khác nhau. Vì có tính ngẫu nhiên nên không có khả năng lặp lại, và thật ra cũng không có nhiều nội dung thú vị lắm (điểm chính là chỉ máy tính lượng tử mới có thể tạo ra nó hiệu quả). Còn thí nghiệm lần này có thể cho cùng một kết quả ở mỗi lần chạy, dùng mạch có cấu trúc nên dễ kiểm soát hơn nhiều. Thêm nữa, nó còn có liên hệ với quang phổ phân tử, nên dù quy mô còn nhỏ vẫn đã cho thấy dấu hiệu có thể được dùng vào việc có ý nghĩa trong tương lai, hữu ích hơn việc tạo random bitstring
  • Thí nghiệm này không phải bài toán RCS hay bài toán liên quan đến lý thuyết số. Nội dung công bố là một thuật toán mang tên “Quantum Echoes”. Sau khi thiết lập thí nghiệm, họ gây nhiễu một qbit rồi quan sát “tiếng vọng” trên toàn hệ. Từ đó họ tái tạo được một thí nghiệm cổ điển trong lĩnh vực vốn trước đây được làm bằng NMR, đồng thời còn thu được dữ liệu mà phương pháp cũ rất khó lấy
• Có vẻ lần này là một phép tính có ích thực sự, nên tôi thắc mắc nó khác các kết quả trước ở điểm nào
  • Trong thế giới thực thì nó vẫn hoàn toàn vô dụng. Và cũng chưa thể gọi là thực sự có thể kiểm chứng
• Theo tôi biết thì chip lượng tử chỉ có thể chạy một phần thuật toán vì giới hạn số cổng có thể triển khai. Tôi tò mò liệu chip lượng tử có thật sự là một máy tính phổ dụng (Universal Computer) hay không
• Kiểu công bố như “đã trình diễn trên phần cứng thuật toán đầu tiên trong lịch sử đạt ưu thế lượng tử có thể kiểm chứng” tôi có cảm giác đã thấy vài lần rồi, kể cả từ Google
  • Điểm mấu chốt lần này là “có thể kiểm chứng”. Nghĩa là một phép tính vốn mất quá nhiều thời gian nếu làm theo cách cổ điển nay đã tạo ra được kết quả có thể tái hiện lặp đi lặp lại một cách nhất quán bằng máy tính lượng tử. Ngược lại, với những thứ như RCS thì đầu ra thay đổi mỗi lần nên không thể kiểm chứng
  • Nếu là thật thì đây đúng là kết quả đã được kỳ vọng. Bản thân “ưu thế lượng tử” cũng là một phổ liên tục, từ “so sánh với lời giải cổ điển tốt nhất mà ta có thể đạt được bằng mọi tài nguyên và kỹ thuật” cho tới “đầu ra hữu ích có thể được kiểm chứng theo hình thức chặt chẽ”
  • Riêng Google thôi thì đây cũng đã là lần thứ ba
  • Lần này được công bố cùng bài báo trên Nature nên có thể xem là mang ý nghĩa khác so với trước đây(https://www.nature.com/articles/s41586-025-09526-6)
• Tôi không phải chuyên gia lượng tử, nhưng cảm giác là những tin kiểu này đã xuất hiện hơn 10 năm nay mà vẫn chưa có kết quả nào thực sự dùng được
  • Rất có ích cho việc thu hút tài trợ nghiên cứu vật lý. Dù vô dụng đi nữa thì tôi vẫn thấy tốt hơn là tiền bị đổ vào chính trị hay chi phí giám sát
  • Tôi cũng không phải chuyên gia nên sẽ rất tốt nếu ai đó bổ sung giải thích. Theo hiểu biết của tôi thì mọi thứ vẫn đang ở giai đoạn khởi đầu. Chỉ riêng việc chứng minh thuật toán lượng tử là khả thi cũng đã rất có ý nghĩa. (Có vẻ đó là điều bài viết này đang tuyên bố.) Nếu điều đó đã được chứng minh, bước tiếp theo sẽ là có nhiều qubit hơn, nhiều cặp vướng víu hơn và tỷ lệ lỗi thấp hơn để có thể áp dụng vào các bài toán thực tế. Những công bố kiểu này nhìn chung có lẽ là đúng, nhưng chỉ đúng trong “phạm vi rất nhỏ”. Tức là giống như tuyên bố “phát triển thuật toán phân tích thừa số nhanh hơn 10.000 lần so với tốc độ tốt nhất hiện nay!” trong khi thực tế chỉ phân tích được đến 103
  • Khi doanh nghiệp vận hành theo lợi nhuận, họ sẽ tung ra các quảng bá phóng đại dành cho nhà đầu tư và cổ đông thay vì ưu tiên danh tiếng khoa học thực sự hay nghiên cứu tiếp theo. Những tuyên bố mang tính kích động như vậy nhắm vào các cổ đông chỉ quan tâm đến doanh thu tương lai nhưng lại thiếu khả năng đánh giá nội dung thực tế. Đó là hệ quả tự nhiên khi giao khoa học cho doanh nghiệp