Chip Willow của Google giảm 40 lần tỷ lệ lỗi khi tạo trạng thái ma thuật, đạt độ trung thực 99,99%, rút ngắn lộ trình lượng tử hữu dụng.
Nhóm Quantum AI của Google vừa công bố trên tạp chí Science kết quả hiện thực hóa trên phần cứng một kỹ thuật vốn chủ yếu tồn tại trên lý thuyết: nuôi cấy trạng thái ma thuật. Trên bộ xử lý Willow, kỹ thuật này giúp giảm tỷ lệ lỗi khoảng 40 lần so với các trạng thái chưa qua nuôi cấy, đồng thời tạo ra các trạng thái T với độ trung thực logic đạt mức kỷ lục 99,99%.
Máy tính lượng tử vận hành dựa trên các bit lượng tử (qubit), có thể tồn tại đồng thời ở trạng thái chồng chập của 0 và 1. Tuy nhiên, qubit cực kỳ nhạy cảm, chỉ một thay đổi nhỏ về nhiệt độ hay nhiễu điện cũng đủ làm hỏng phép tính. Vì vậy, toàn ngành tập trung vào công nghệ sửa lỗi, phân bổ một đơn vị thông tin trên nhiều qubit để phát hiện và khắc phục sai sót. Các phương pháp hiện nay bảo vệ tốt những phép toán đơn giản, nhưng một chương trình lượng tử hữu ích còn cần nhóm phép toán phức tạp hơn. Để thực hiện chúng, máy tính phải tạo ra các trạng thái ma thuật, vốn đóng vai trò như nguồn năng lượng dùng một lần và bị tiêu hao ngay khi sử dụng.
Theo Google, một số ước tính cho thấy việc tạo trạng thái ma thuật có độ chính xác cao có thể ngốn tới 95% năng lực của một máy tính lượng tử. Giải pháp tiêu chuẩn là chưng cất trạng thái ma thuật, do Sergei Bravyi và Alexei Kitaev đề xuất năm 2004, vốn tinh lọc nhiều trạng thái nhiễu thành một số ít trạng thái chính xác nhưng đòi hỏi hệ thống quy mô lớn và lượng qubit đáng kể. Phương pháp nuôi cấy mà Google đề xuất năm 2024 hoạt động như một bộ lọc trên một vùng nhỏ của chip: thực hiện chuỗi kiểm tra, loại bỏ mọi lần thử phát hiện lỗi và chỉ tiếp tục phát triển những trạng thái đạt yêu cầu. Chỉ khoảng 8% số lần thử vượt qua toàn bộ quy trình. Nhóm tác giả thậm chí nhận định việc chưng cất bổ sung “có thể sẽ không bao giờ cần thiết trong thực tế”.
Mối đe dọa với hệ thống mã hóa vẫn còn khoảng cách
Kết quả mới có ý nghĩa vượt ra ngoài phòng thí nghiệm. Giảm chi phí chế tạo máy tính lượng tử có thể đẩy nhanh ứng dụng trong phát triển thuốc và vật liệu mới, nhưng cũng rút ngắn thời điểm công nghệ này đủ sức phá vỡ các hệ thống mã hóa đang bảo vệ tài khoản ngân hàng và ví Bitcoin. Nuôi cấy trạng thái ma thuật là một trong những cơ sở cho ước tính năm 2025 của nhà nghiên cứu Craig Gidney, theo đó RSA-2048 có thể bị phá vỡ với chưa đến 1 triệu qubit có nhiễu, giảm 20 lần so với con số 20 triệu qubit ông đưa ra năm 2019. Hồi tháng 3, một báo cáo của Quantum AI, đồng tác giả bởi Justin Drake của Ethereum Foundation và chuyên gia mật mã Dan Boneh của Đại học Stanford, ước tính việc phá vỡ hệ mật mã đường cong elliptic (ECC) của Bitcoin có thể chỉ cần chưa đến 500.000 qubit vật lý.
Dù vậy, khoảng cách tới một cuộc tấn công thực tế vẫn còn lớn. Thí nghiệm chỉ sử dụng tối đa 54 trong tổng số 105 qubit của Willow. Để phân tích nhân tử một khóa RSA-2048, trạng thái ma thuật cần tỷ lệ lỗi khoảng 1 trên 10 tỷ, tức chính xác hơn khoảng 1 triệu lần so với kết quả hiện tại. Bước tiếp theo của Google là triển khai kỹ thuật ở quy mô lớn hơn. Do tỷ lệ lỗi giảm theo lũy thừa bậc ba của mức nhiễu phần cứng, nhóm nghiên cứu dự báo nếu giảm một nửa mức nhiễu cơ bản của Willow, tỷ lệ lỗi trạng thái ma thuật có thể xuống khoảng 2 trên 100.000.
