Đây là một bước ngoặt lớn trong sự phát triển của của cả điện toán lượng tử và hóa học, không chỉ giúp con người khám phá những bí ẩn lượng tử chứa đựng trong thế giới vật chất mà còn tạo tiền đề cho vô số đột phá khác trong tương lai, từ tế bào năng lượng Mặt Trời cho tới phát triển thuốc chữa bệnh. Các nhà khoa học cho rằng sự kiện này đã mở ra một chân trời mới trong lĩnh vực hóa học, giúp khám phá ra những bí mật cực kỳ lớn, như một tảng băng chìm của thế giới khoa học, mà con người luôn muốn tìm kiếm suốt hàng trăm năm qua.
Cụ thể hơn, các nhà nghiên cứu của Google đã sử dụng máy tính lượng tử để mô phỏng chính xác năng lượng của phân tử hydro H2. Đây là một mô hình dự đoán gần như bất khả thi nếu thực hiện trên những chiếc máy tính "cổ điển" bởi nó cực kỳ tốn thời gian. Thậm chí nếu sử dụng các siêu máy tính thì người ta cũng mất khoảng 10 ngày để dự đoán năng lượng của một phân tử propan C3H8.
Để làm nên thành công lần này, đội ngũ của Google đã hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Đại học Harvard, phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, Đại học Barbara, Đại học Tufts và Đại học London, Anh Quốc. Người dẫn đầu nghiên cứu về phần mềm lượng tử tại Google Ryan Babbush cho biết: "Mặc dù năng lượng của phân tử hydro có thể được ước tính bằng những chiếc máy tính cổ điển nhưng hiệu suất cực kỳ thấp. Tuy nhiên bằng một phần cứng lượng tử nhỏ bé, tốc độ và hiệu suất của công việc này có thể được tăng lên nhiều lần."
Về cơ bản, các phản ứng hóa học là lượng tử trong tự nhiên bởi chúng hình thành nên các trạng thái chồng chập vướng víu lượng tử. Nói cách khác, mỗi trạng thái của một hạt không thể được mô tả một cách độc lập với những trạng thái khác. Đây chính là khó khăn lớn nhất trong quá trình nghiên cứu bằng những chiếc máy tính cổ điển vốn dựa trên nguyên lý nhị phân với các giá trị 0 và 1. Tuy nhiên, máy tính lượng tử giải quyết vấn đề này bằng các qubits vốn vừa cho giá trị 1, vừa cho giá trị 0 tại cùng một thời điểm.
Để chạy mô hình dự đoán năng lượng của phân tử hydro, các kỹ sư đã sử dụng một bảng mạch máy tính lượng tử trong điều kiện siêu hàn gọi là VQE - về cơ bản là một hệ thống cực kỳ hiện đại được phát triển nhằm bắt chước hoạt động của mạng thần kinh trong não người dưới cấp độ lượng tử.
Biểu đồ so sánh mức năng lượng thật sự do phân tử Hydro phát ra (màu đen) với kết quả mô phỏng từ hệ thống VQE (màu đỏ).
Nhà nghiên cứu Babbush giải thích rằng, việc đi từ định tính tới định lượng, từ miêu tả tới dự đoán các mô hình hóa học sẽ là một bước ngoặc lớn trong nghiên cứu hóa học lẫn máy tính lượng tử. Đây có là một đột phá lớn trong cách con người nghiên cứu hóa học, một sự hiện đại hóa có thể dẫn tới nhiều phát hiện vĩ đại khác. Ông cho rằng hiểu biết hóa học của con người chỉ mới dừng lại ở phần nổi của tảng băng và kỹ thuật lần này có thể giúp dần dần khám phá ra những bí ẩn của tảng băng chìm.
Bạn nghĩ rằng nghiên cứu lần này chỉ hữu ích đối với các nhà hóa học hoặc các kỹ sư? Không, Google đã dẫn ra những ứng dụng rất cụ thể của nghiên cứu này. Sắp tới họ sẽ dùng mô hình này để hỗ trợ cải thiện công nghệ pin, các thiết bị điện tử dẻo, tìm ra những loại vật liệu mới và hơn thế nữa. Ngoài ra, một ứn dụng tiềm năng khác chính là nghiên cứu cách vi khuẩn tạo ra phân bón. Hiện tại kỹ thuật sản xuất phân bón của con người là cực kỳ kém hiệu quả về mặt môi trường, đồng thời tiêu tốn tới 1-2% tổng nhu cầu sử dụng năng lượng toàn cầu và việc tăng cường hiểu biết về các phản ứng hóa học có thể sẽ giúp cải thiện quá trình sản xuất, cho hiệu suất cao giống như vi khuẩn.
Cụ thể hơn, các nhà nghiên cứu của Google đã sử dụng máy tính lượng tử để mô phỏng chính xác năng lượng của phân tử hydro H2. Đây là một mô hình dự đoán gần như bất khả thi nếu thực hiện trên những chiếc máy tính "cổ điển" bởi nó cực kỳ tốn thời gian. Thậm chí nếu sử dụng các siêu máy tính thì người ta cũng mất khoảng 10 ngày để dự đoán năng lượng của một phân tử propan C3H8.
Để làm nên thành công lần này, đội ngũ của Google đã hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Đại học Harvard, phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, Đại học Barbara, Đại học Tufts và Đại học London, Anh Quốc. Người dẫn đầu nghiên cứu về phần mềm lượng tử tại Google Ryan Babbush cho biết: "Mặc dù năng lượng của phân tử hydro có thể được ước tính bằng những chiếc máy tính cổ điển nhưng hiệu suất cực kỳ thấp. Tuy nhiên bằng một phần cứng lượng tử nhỏ bé, tốc độ và hiệu suất của công việc này có thể được tăng lên nhiều lần."
Về cơ bản, các phản ứng hóa học là lượng tử trong tự nhiên bởi chúng hình thành nên các trạng thái chồng chập vướng víu lượng tử. Nói cách khác, mỗi trạng thái của một hạt không thể được mô tả một cách độc lập với những trạng thái khác. Đây chính là khó khăn lớn nhất trong quá trình nghiên cứu bằng những chiếc máy tính cổ điển vốn dựa trên nguyên lý nhị phân với các giá trị 0 và 1. Tuy nhiên, máy tính lượng tử giải quyết vấn đề này bằng các qubits vốn vừa cho giá trị 1, vừa cho giá trị 0 tại cùng một thời điểm.
Để chạy mô hình dự đoán năng lượng của phân tử hydro, các kỹ sư đã sử dụng một bảng mạch máy tính lượng tử trong điều kiện siêu hàn gọi là VQE - về cơ bản là một hệ thống cực kỳ hiện đại được phát triển nhằm bắt chước hoạt động của mạng thần kinh trong não người dưới cấp độ lượng tử.
Biểu đồ so sánh mức năng lượng thật sự do phân tử Hydro phát ra (màu đen) với kết quả mô phỏng từ hệ thống VQE (màu đỏ).
Nhà nghiên cứu Babbush giải thích rằng, việc đi từ định tính tới định lượng, từ miêu tả tới dự đoán các mô hình hóa học sẽ là một bước ngoặc lớn trong nghiên cứu hóa học lẫn máy tính lượng tử. Đây có là một đột phá lớn trong cách con người nghiên cứu hóa học, một sự hiện đại hóa có thể dẫn tới nhiều phát hiện vĩ đại khác. Ông cho rằng hiểu biết hóa học của con người chỉ mới dừng lại ở phần nổi của tảng băng và kỹ thuật lần này có thể giúp dần dần khám phá ra những bí ẩn của tảng băng chìm.
Bạn nghĩ rằng nghiên cứu lần này chỉ hữu ích đối với các nhà hóa học hoặc các kỹ sư? Không, Google đã dẫn ra những ứng dụng rất cụ thể của nghiên cứu này. Sắp tới họ sẽ dùng mô hình này để hỗ trợ cải thiện công nghệ pin, các thiết bị điện tử dẻo, tìm ra những loại vật liệu mới và hơn thế nữa. Ngoài ra, một ứn dụng tiềm năng khác chính là nghiên cứu cách vi khuẩn tạo ra phân bón. Hiện tại kỹ thuật sản xuất phân bón của con người là cực kỳ kém hiệu quả về mặt môi trường, đồng thời tiêu tốn tới 1-2% tổng nhu cầu sử dụng năng lượng toàn cầu và việc tăng cường hiểu biết về các phản ứng hóa học có thể sẽ giúp cải thiện quá trình sản xuất, cho hiệu suất cao giống như vi khuẩn.
Tham khảo PhysicX
