Máy tính lượng tử: Bước nhảy mới của Google và cuộc đua định hình tương lai công nghệ

Khám phá cơ học lượng tử đã mở đường cho sự ra đời của transistor (bóng bán dẫn), chip bán dẫn và laser để rồi từ đó làm nên điện thoại di động và mạng viễn thông cáp quang của nhân loại. Giờ đây, viễn cảnh cơ học lượng tử có thể mang lại những công nghệ có ý nghĩa còn to lớn và khó hình dung hơn nhiều càng trở nên gần với thực tế. Đặc biệt hơn cả là việc nghiên cứu chế tạo máy tính lượng tử siêu việt hơn rất nhiều so với các hệ thống máy tính hiện nay (còn gọi là máy tính cổ điển) đang có hy vọng trở thành hiện thực trong thời gian không xa.

Tổng giám đốc điều hành của GoogleSundar Pichai bên máy tính lượng tử. Ảnh: Google/The New York Times

Ngày 22.10.2025, Tiến sĩ Michel H. Devoret, Trưởng khoa học gia của bộ phận Quantum AI thuộc Google, cùng các cộng sự tại phòng thí nghiệm Santa Barbara (California), thông báo họ đã chạy thành công một thuật toán mới có khả năng đẩy nhanh tiến bộ trong việc khám phá thuốc chữa bệnh, thiết kế vật liệu mới và thậm chí phá vỡ các kỹ thuật mã hóa hiện hành.

Thuật toán đó được đặt tên là “tiếng vọng lượng tử” (quantum echoes) – một mô hình giúp tăng tốc độ xử lý vượt xa các siêu máy tính cổ điển. Theo công bố trên Tạp chí Nature ngày 22.10, máy tính lượng tử của Google đã chạy nhanh gấp 13.000 lần so với siêu máy tính hàng đầu trong cùng một bài toán.

“Trong tương lai, khi chúng ta có những máy tính lượng tử lớn hơn, chúng ta sẽ có thể thực hiện các phép tính mà các thuật toán cổ điển không thể làm được”, Tiến sĩ Devoret nói.

Từ phòng thí nghiệm Nobel đến cỗ máy lượng tử của Google

Ba tuần trước công bố này, Michel H. Devoret là một trong ba nhà vật lý được trao Giải Nobel Vật lý 2025 cho công trình cho thấy các hiện tượng lượng tử kỳ lạ có thể được quan sát bằng mắt thường. Từ những năm 1980, cùng với Giáo sư John Clarke và nghiên cứu sinh John Martinis, Tiến sĩ Devoret đã chứng minh rằng những đặc tính “ngoài sức tưởng tượng” của cơ học lượng tử vẫn có thể xuất hiện trong các mạch điện đủ lớn để nhìn thấy.

Khám phá đó đã đặt nền móng cho việc chế tạo thành công qubit siêu dẫn, là loại đơn vị tính toán cơ bản của máy tính lượng tử hiện nay. Không còn giới hạn ở 0 hoặc 1 như bit thông thường, mỗi qubit có thể tồn tại trong cả hai trạng thái cùng lúc, nhờ vậy khả năng tính toán tăng lên theo cấp số nhân khi số qubit tăng.

Google, IBM, Microsoft và hàng loạt công ty khởi nghiệp, viện nghiên cứu, đặc biệt là Trung Quốc, quốc gia đã đầu tư hơn 15,2 tỷ USD cho nghiên cứu lượng tử, đều đang cạnh tranh khốc liệt trong cuộc đua này.

Các nhà khoa học John Clarke, Michel H. Devoret và John M. Martinis được vinh danh Nobel Vật lý 2025. Ảnh: Ủy ban Giải thưởng Nobel

“Tiếng vọng lượng tử” – cách máy tính nghe được âm vang của hạt

Thuật toán mới của Google được ví như việc “lắng nghe” các qubit bằng tiếng vọng.
Trong mô phỏng, nhóm nghiên cứu thực hiện hàng loạt phép toán, làm nhiễu loạn một qubit, sau đó đảo ngược quá trình để “nghe” lại sự phản hồi của toàn hệ thống. Những phép đo đó tiết lộ liên kết lượng tử tinh vi giữa các phần cách xa nhau, giống như cách người ta dùng âm vang để dựng bản đồ hang động.

Khi áp dụng cho phân tử, các qubit được thiết kế mô phỏng spin của hạt nhân nguyên tử – đặc tính khiến mỗi hạt nhân hoạt động như một thanh nam châm nhỏ. Bằng cách đo các tương tác từ tính giữa những spin này, thuật toán giúp hiểu rõ hơn cấu trúc của phân tử, điều mà kỹ thuật cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) truyền thống thường gặp khó khăn khi các hạt nhân ở quá xa nhau.

Theo Phó Giáo sư Ashok Ajoy (ĐH California, Berkeley), chuyên gia về NMR hợp tác cùng nhóm Google, “cho đến nay, những minh chứng này mới chỉ được thực hiện trên các phân tử nhỏ, nhưng chúng tôi lạc quan rằng các ý tưởng tương tự có thể mở rộng sang những hệ thống lớn hơn, thậm chí là protein trong tương lai”.

Google cho biết, nhóm nghiên cứu đã dành thời gian tương đương 10 năm làm việc của một nhà khoa học chỉ để kiểm tra các thuật toán cổ điển đối chứng, nhằm đảm bảo độ tin cậy của kết quả.

Nhà khoa học máy tính Scott Aaronson (ĐH Texas) nhận định: “Một lợi thế lớn của tuyên bố Google lần này là kết quả đưa ra là con số xác định, có thể kiểm chứng trên máy tính lượng tử khác. Đây là tiến bộ rõ ràng nhất trong nỗ lực xác nhận tính siêu việt lượng tử”.

Chip Willow của Google Quantum AI. Ảnh: Reuters

Từ “tính siêu việt lượng tử” đến những hoài nghi khó dứt

Thực ra, đây không phải lần đầu tiên Google tuyên bố đạt “tính siêu việt lượng tử” (quantum supremacy). Năm 2019, cỗ máy Sycamore 54 qubit của họ từng thực hiện phép lấy mẫu ngẫu nhiên trong 200 giây, trong khi siêu máy tính mạnh nhất thời đó là Summit, được cho là cần 10.000 năm. Tuy nhiên, các nhà khoa học của IBM nhanh chóng phản biện rằng nếu sử dụng thuật toán tối ưu, Summit chỉ cần 2,5 ngày để đạt kết quả tương tự.

Đến cuối năm 2022, một nhóm nhà nghiên cứu Trung Quốc lại chỉ ra lỗ hổng trong thuật toán Sycamore. Chính vì những kết quả đó mà chương trình máy tính lượng tử Google bị ảnh hưởng khá nặng nề. Cần nói thêm là chương trình này lúc đó được lãnh đạo bởi TS. John M. Martinis, một trong ba người nhận giải Nobel Vật lý năm nay. Trước đó ông là giáo sư của Đại học California tại Santa Barbara. Từ năm 2014 đến 2020 ông được Google mời về lãnh đạo Chương trình quantum của Google.

Những tuyên bố về “tính siêu việt” này, theo giới khoa học, rất khó xác minh và thường bị phản bác. Như đã thấy, tuyên bố đầu tiên của Google tính siêu việt lượng tử lượng tử là vào năm 2019 đã được chứng minh gần sau đó rằng những tính toán tương tự cũng có thể thực hiện được bằng máy tính cổ điển. Vào tháng 3 năm nay, D-Wave, một công ty máy tính lượng tử ở Palo Alto (California), tuyên bố đã giải quyết được bài toán đầu tiên có ý nghĩa khoa học với một bộ xử lý lượng tử nhưng cũng đang gặp phải thách thức tương tự bởi các thuật toán cổ điển mới được tìm ra khác.

Năm 2024, Google đã thực hiện một phép lấy mẫu ngẫu nhiên phức tạp khác trong vòng chưa đầy năm phút với chip Willow 105 qubit của họ tương đương với siêu máy tính nhanh nhất Frontier thực hiện trong 10 septillion (tức là 10 triệu tỷ tỷ) năm. Tuy nhiên, phép tính lấy mẫu ngẫu nhiên này cũng không có ứng dụng thực tế, gây ra nhiều ý kiến trái chiều về việc liệu nó có phải là một tiêu chuẩn hữu ích hay không? Ngoài ra, tính chất ngẫu nhiên của phép tính này đồng nghĩa với việc họ không thể xác nhận liệu các máy tính lượng tử khác nhau có tạo ra cùng kết quả hay không, càng làm tăng thêm nghi ngờ về tiêu chuẩn “siêu việt lượng tử’ này có thực sự hữu ích, hay chỉ là một màn trình diễn sức mạnh thuần túy?

Cuộc đua lượng tử vẫn tiếp diễn, và hiện chưa có ai đủ điều kiện tuyên bố chiến thắng.Ảnh: bluequbit.io

Khi Google quay lại với mục tiêu khả thi hơn

Vì vậy, thuật toán “tiếng vọng lượng tử” được xem là sự trở lại có tính toán. Lần này, nhóm nghiên cứu tập trung vào ứng dụng có thể lặp lại và kiểm chứng – mô phỏng các phân tử đơn giản để dự đoán đặc tính cấu trúc, sau đó đối chiếu kết quả bằng NMR thực nghiệm.

Theo Giáo sư Aaronson, khi thuật toán được dùng để dự đoán cấu trúc phân tử thực tế, nhóm có thể so sánh kết quả của nó với các phép đo và "đây là bước tiến vượt trội so với những phép tính xác suất trước đây, vốn không thể tái lập”.

Tuy nhiên, nhà vật lý Dries Sels (ĐH New York) lại thận trọng: “Bài báo đã kiểm tra nhiều thuật toán cổ điển, nhưng không có bằng chứng chắc chắn rằng một thuật toán cổ điển hiệu quả hơn không tồn tại. Cá nhân tôi cho rằng như vậy chưa đủ để đưa ra tuyên bố lớn”.

Phó Chủ tịch kỹ thuật Google Hartmut Neven cho rằng: “Thuật toán này mở ra cơ hội cho các ứng dụng thực tế”. Ông cũng cho biết thêm, Google lạc quan rằng trong vòng năm năm tới, máy tính lượng tử sẽ có những ứng dụng thực tế.

Nếu đạt được điều đó, máy tính lượng tử có thể trở thành công cụ then chốt trong nghiên cứu vật liệu, y sinh, khí hậu, năng lượng – những lĩnh vực đòi hỏi khối lượng tính toán khổng lồ.

Song, ngay cả khi đã đi được bước xa nhất trong lĩnh vực này, các chuyên gia vẫn cho rằng đường tới ứng dụng thương mại còn rất dài. Máy tính lượng tử hiện nay vẫn mắc quá nhiều lỗi, đòi hỏi hệ thống qubit cực kỳ ổn định và công nghệ hiệu chỉnh phức tạp. Dù vậy, những kết quả mới nhất cho thấy ngành này đang tiến gần hơn bao giờ hết tới ngưỡng “ưu việt lượng tử” thực sự.

Từ giấc mơ đến hiện thực và khoảng cách còn lại

Cuộc đua lượng tử vẫn tiếp diễn, và hiện chưa có ai đủ điều kiện tuyên bố chiến thắng. Nhưng rõ ràng, những nỗ lực của Google, từ Sycamore đến Willow, từ những phép tính “phô trương” đến thuật toán “tiếng vọng lượng tử” đã và đang góp phần đưa vật lý lượng tử ra khỏi phòng thí nghiệm, tiến gần hơn với đời sống thực tiễn.

Như một tiếng vọng từ lòng đất sâu, công nghệ lượng tử hôm nay phản chiếu lại chính khát vọng muôn thuở của con người: khám phá, tái tạo và chinh phục giới hạn của tư duy. Và có lẽ, trong tiếng vọng ấy, chúng ta nghe thấy không chỉ âm thanh của các qubit va chạm, mà còn cả tiếng vọng của tương lai công nghệ nhân loại.

New York, 23.10.2025.

Nguyễn Trung Dân

_____________

* Tác giả Nguyễn Trung Dân cũng là tác giả cuốn “Khi con chip lên ngôi” và là nhà khoa học đang làm việc trong một số lĩnh vực liên quan đến máy tính lượng tử tại New York.

Tài Liệu Tham khảo:

[1] Nguyễn Trung Dân, Khi con chip lên ngôi NXB Nhã Nam 2025.

[2] Nature 22/10/2025

[3] New York Times, 22.10.2025.