Thuật toán mới “phản hồi lượng tử” của Google gây tranh cãi trong giới khoa học

Google một lần nữa tuyên bố đạt được “lợi thế lượng tử” với thuật toán mới mang tên “phản hồi lượng tử”, được cho là có thể thúc đẩy nghiên cứu khoa học và mô phỏng cấu trúc phân tử. Tuy nhiên, tuyên bố này nhanh chóng vấp phải sự hoài nghi trong giới nghiên cứu, khi nhiều chuyên gia cho rằng bằng chứng của Google vẫn chưa đủ thuyết phục để khẳng định ưu thế vượt trội so với các thuật toán cổ điển — dù công trình được đánh giá là một bước tiến kỹ thuật đáng chú ý.

Các nhà nghiên cứu của Google vừa công bố tuyên bố mới về việc đạt được “lợi thế lượng tử” — tức khả năng thực hiện các phép tính nhanh hơn đáng kể so với máy tính cổ điển. Tuy nhiên, giới khoa học vẫn tỏ ra thận trọng, cho rằng tuyên bố này cần được chứng minh rõ ràng hơn.

Thuật toán mới mà Google phát triển, mang tên “phản hồi lượng tử” (quantum echoes), được cho là có thể ứng dụng vào các nghiên cứu khoa học như xác định cấu trúc phân tử. Về mặt lý thuyết, nó có thể được tái tạo trên các máy tính lượng tử khác. “Thuật toán này mở ra cơ hội cho những ứng dụng thực tiễn,” ông Hartmut Neven, Giám đốc phòng thí nghiệm điện toán lượng tử của Google tại Santa Barbara (California), cho biết. Ông bày tỏ lạc quan rằng trong vòng năm năm tới, máy tính lượng tử sẽ có các ứng dụng thực tế.

Sự hoài nghi của giới khoa học

Dù vậy, nhiều chuyên gia cho rằng cần hết sức thận trọng. Bài nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature ngày 22-10 đã thu hút sự chú ý, nhưng cũng đi kèm không ít nghi ngờ. “Tiêu chuẩn chứng minh cần phải rất cao,” ông Dries Sels, nhà vật lý lượng tử tại Đại học New York, nhận định. Theo ông, dù nhóm Google đã thử nghiệm nhiều thuật toán cổ điển khác nhau, chưa có bằng chứng nào cho thấy không tồn tại một thuật toán cổ điển hiệu quả tương đương. “Cá nhân tôi không nghĩ như vậy là đủ để đưa ra một tuyên bố lớn như thế,” ông nói.

Nhà vật lý lượng tử James Whitfield (Đại học Dartmouth, New Hampshire) cũng đồng quan điểm: “Tiến bộ kỹ thuật này rất ấn tượng, nhưng cho rằng nó sẽ sớm giải quyết một vấn đề có giá trị kinh tế thì có phần quá lạc quan.”

Cách tiếp cận của Google

Trong một nghiên cứu sơ bộ gửi lên arXiv, các nhà nghiên cứu của Google mô tả việc áp dụng thuật toán “phản hồi lượng tử” để mô phỏng các phân tử đơn giản. Họ đã dự đoán được một số đặc điểm cấu trúc phân tử bằng mô phỏng lượng tử và kiểm chứng bằng phép đo cộng hưởng từ hạt nhân (NMR). Tuy nhiên, phương pháp hiện mới chỉ được áp dụng cho những phân tử có thể mô phỏng hiệu quả bằng máy tính cổ điển, như toluene — một chất lỏng thơm.

Ông Tom O’Brien, nhà khoa học tại Google Quantum AI ở Munich (Đức), cho biết việc mở rộng thuật toán này cho các hệ thống phức tạp hơn sẽ đòi hỏi phần cứng ít nhiễu hơn hoặc các kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi tiên tiến, điều mà nhóm vẫn đang tiếp tục nghiên cứu.

Cơ chế hoạt động của “phản hồi lượng tử”

Thí nghiệm sử dụng chip Willow của Google, gồm 105 mạch siêu dẫn nhỏ dùng để lưu trữ thông tin dưới dạng qubit — đơn vị thông tin lượng tử tương đương với bit cổ điển. Thuật toán của Google cho phép phát hiện các liên kết lượng tử tinh vi giữa những phần xa nhau trong hệ thống, vốn thường bị nhiễu và mất đi do tương tác phức tạp.

Nhóm mô tả phương pháp này giống như “dò hang bằng tiếng vọng”: họ thực hiện một chuỗi thao tác, làm nhiễu một qubit, sau đó đảo ngược quá trình. Những phép đo kết quả hé lộ dấu vết của tương tác giữa qubit đó với toàn bộ hệ thống.

Để áp dụng vào nghiên cứu phân tử, các qubit được dùng để mô phỏng spin (độ quay) của hạt nhân nguyên tử — tính chất lượng tử khiến mỗi hạt nhân hoạt động như một nam châm nhỏ. Phép đo cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) tiết lộ cấu trúc phân tử thông qua tương tác từ giữa các spin, nhưng kỹ thuật này thất bại khi các hạt nhân ở quá xa nhau. Nhờ mô phỏng spin bằng qubit, thuật toán “phản hồi lượng tử” có thể phát hiện các tương tác tầm xa, từ đó cung cấp thêm thông tin mà NMR thông thường không thể đạt được.

“Hiện các thử nghiệm mới chỉ dừng ở các phân tử nhỏ, nhưng chúng tôi lạc quan rằng ý tưởng này có thể mở rộng cho các hệ thống lớn hơn nhiều — thậm chí là protein — trong tương lai,” ông Ashok Ajoy, nhà hóa học lượng tử tại Đại học California, Berkeley, cho biết.

Những tranh cãi không mới

Các tuyên bố về “lợi thế lượng tử” luôn gây tranh cãi. Lần đầu tiên Google tuyên bố đạt được thành tựu này vào năm 2019, nhưng nhiệm vụ khi đó không có ứng dụng thực tế và sau đó bị chứng minh là có thể thực hiện bằng máy tính cổ điển. Tình huống tương tự diễn ra vào tháng 3 vừa qua, khi công ty D-Wave ở California tuyên bố giải được một bài toán có ý nghĩa khoa học bằng máy tính lượng tử, song sau đó bị phản biện bằng các thuật toán cổ điển cải tiến.

Lần này, Google khẳng định thuật toán “phản hồi lượng tử” chạy nhanh hơn 13.000 lần so với thuật toán cổ điển tốt nhất. Nhóm đã dành thời gian tương đương 10 năm nghiên cứu để “kiểm chứng ngược” — tức tối ưu tối đa các thuật toán cổ điển để thu hẹp khoảng cách. Các chuyên gia được Nature phỏng vấn đánh giá rằng kết quả của Google có cơ sở vững chắc.

“Rõ ràng, đây là lời thách thức dành cho bất kỳ ai hoài nghi muốn tái tạo kết quả bằng máy tính cổ điển,” ông Scott Aaronson, nhà khoa học máy tính tại Đại học Texas (Austin), nhận định.

Tuy vậy, ông Sels cho rằng khoảng cách 13.000 lần vẫn chưa đủ lớn, và ông đã thấy những hướng tiếp cận có thể giúp thuật toán cổ điển tăng tốc hơn nữa.

Cần thêm bằng chứng

Theo ông Aaronson, điểm đáng chú ý là kết quả của Google có thể kiểm chứng vì đầu ra của thuật toán là một giá trị xác định — khác với các tuyên bố trước đây thường dựa trên thuật toán xác suất. Khi thuật toán được dùng để dự đoán cấu trúc phân tử thực, nhóm Google có thể đối chiếu với dữ liệu thí nghiệm để xác minh độ chính xác. “Khả năng xác minh được lợi thế lượng tử là một trong những thách thức lớn nhất của lĩnh vực này, và tôi rất vui khi thấy Google cùng các nhóm khác đang đạt tiến triển thực sự,” ông nói.

Tuy nhiên, ông cảnh báo rằng để đi từ thí nghiệm này đến ứng dụng thương mại hoặc máy tính lượng tử quy mô lớn có khả năng tự hiệu chỉnh lỗi, Google vẫn phải vượt qua “những thách thức to lớn khác”.