Uy quyền lượng tử

Máy tính lượng tử của Google.

Có nhiều vấn đề với độ phức tạp cao mà các siêu máy tính hiện hành phải mất rất rất nhiều thời gian mới có thể giải quyết được. Ví dụ như bài toán thừa số hóa một số nguyên N thành tích của hai số nguyên tố p và q, nếu N quá lớn, chẳng hạn như một số có 500 chữ số, thì thời gian cần để tính toán sẽ là 10^12 (10 mũ 12) năm, tức là lớn hơn cả tuổi thọ của vũ trụ (có thể coi như đồng nghĩa với không thể giải được). Trong khi đó, nếu sử dụng máy tính lượng tử, là loại máy tính hoạt động trên nguyên lý của vật lý lượng tử có thể thực hiện cùng một lúc nhiều phép tính (hay còn gọi là xử lý song song), thì thời gian cần thiết để tìm ra lời giải chỉ là 2 giây! Đó là “uy quyền lượng tử” (“quantum supremacy”).

Một cột mốc quan trọng

Một nhóm do John Martinis, nhà vật lý thực nghiệm tại Đại học California ở Santa Barbara và tại Google ở Mountain View, California, dẫn đầu cho biết, uy quyền lượng tử từ lâu đã được coi là một cột mốc quan trọng bởi vì nó chứng minh rằng máy tính lượng tử có thể vượt trội hơn máy tính cổ điển. Mặc dù lợi thế này bây giờ mới chỉ được chứng minh trong một trường hợp rất cụ thể, nó vẫn cho thấy cơ học lượng tử có thể hoạt động như mong đợi khi được khai thác để giải quyết một vấn đề phức tạp. Thí nghiệm này cho thấy rằng phần cứng và phần mềm lượng tử đang hoạt động chính xác, ông nói.

“Có vẻ như Google đã đưa ra bằng chứng thực nghiệm đầu tiên về tính khả thi của tính toán lượng tử trong một hệ thống trong thế giới thực”, Michelle Simmons, nhà vật lý lượng tử tại Đại học New South Wales, Sydney, Úc, cho biết.

Chiến công này được đưa tin lần đầu tiên vào tháng 9 bởi Financial Times và nhiều trang tin khác, sau khi phiên bản đầu tiên của bài báo bị rò rỉ trên trang web của NASA, đơn vị hợp tác với Google về điện toán lượng tử. Bài báo rò rỉ nhanh chóng bị gỡ xuống và lúc đó Google không xác nhận rằng họ đã viết bài báo, cũng như không bình luận gì thêm.

Mặc dù phép tính mà Google đã chọn để thí nghiệm - kiểm tra kết quả đầu ra từ một trình tạo số ngẫu nhiên lượng tử - không có nhiều ứng dụng thực tế, nhưng nhóm nghiên cứu viết rằng thành tựu của họ đã hiện thực hóa được về mặt thực nghiệm cái gọi là uy quyền lượng tử trong một nhiệm vụ tính toán và báo trước sự ra đời của mô hình tính toán đang được mong đợi lâu nay.

“Thành tựu khoa học này rất lớn, giả sử kết quả của họ có thể đứng vững được, và tôi cho rằng như vậy”, Scott Aaronson, một nhà khoa học máy tính lý thuyết tại Đại học Texas ở Austin nói.

Phản biện từ IBM

Các nhà nghiên cứu bên ngoài Google đã cố gắng cải thiện các thuật toán cổ điển được sử dụng để giải quyết vấn đề này, với hy vọng làm giảm ước tính tương đương rất lạc quan 10.000 năm của công ty này. IBM, một đối thủ của Google trong cuộc đua máy tính lượng tử, đã báo cáo vào ngày 21 tháng 10 rằng vấn đề “10.000 năm” mà Google nói có thể được giải quyết chỉ trong 2,5 ngày bằng cách sử dụng một kỹ thuật cổ điển khác. Bài báo phản biện của IBM chưa được bình duyệt. Nhưng nếu IBM đúng, họ sẽ làm giảm kỳ tích “uy quyền lượng tử” của Google - chứng minh rằng tính toán lượng tử của Google có thể nhanh hơn nhiều nhưng vẫn chưa nằm ngoài tầm với của máy tính cổ điển.

Đây vẫn sẽ là một cột mốc quan trọng, Simmons nói, “theo như tôi biết, cho đến nay đây là lần đầu tiên cách tính toán như thế được biểu diễn, chắc chắn đây là một kết quả quan trọng”. Nhóm nghiên cứu của Google cũng cho biết, “theo hiểu biết của chúng tôi, thí nghiệm này đánh dấu một sự tính toán đầu tiên được thực hiện hoàn toàn bằng bộ xử lý lượng tử”.

Google cho rằng bằng chứng của họ về uy quyền lượng tử là rất chặt chẽ. Ngay cả khi các nhà nghiên cứu bên ngoài cho rằng thời gian các máy tính “cổ điển” cần để giải bài toán này ngắn hơn so với “10.000 năm” mà Google ước tính, thì phần cứng lượng tử vẫn đang được cải thiện - có nghĩa là đối với vấn đề này, các máy tính thông thường sẽ khó có thể bắt kịp, theo ông Hartmut Neven, người điều hành nhóm máy tính lượng tử Google.

Ứng dụng còn hạn chế

Thành tựu Google có thể có lợi cho điện toán lượng tử bằng cách thu hút nhiều nhà khoa học và kỹ sư máy tính hơn vào lĩnh vực này, Christopher Monroe, một nhà vật lý tại Đại học Maryland ở College Park, nói. Nhưng ông cũng cảnh báo không nên thêu dệt những ảo tưởng về ứng dụng thực tế hiện nay của máy tính lượng tử.

Trên thực tế, Monroe cho biết thêm, các nhà khoa học vẫn chưa chỉ ra rằng một máy tính lượng tử có thể lập trình có thể giải quyết một nhiệm vụ hữu ích và không thể thực hiện bằng bất kỳ cách nào khác, chẳng hạn như bằng cách tính cấu trúc điện tử của một phân tử cụ thể - một vấn đề quái gở đòi hỏi phải mô hình hóa nhiều tương tác lượng tử.

Một bước quan trọng khác, theo Scott Aaronson, là thể hiện uy quyền lượng tử trong một thuật toán sử dụng một quá trình gọi là sửa lỗi - một phương pháp để sửa các lỗi gây nhiễu làm hỏng phép tính. Các nhà vật lý nghĩ rằng điều này sẽ rất cần thiết để khiến máy tính lượng tử có thể hoạt động ở quy mô lớn.

Google đang cố gắng chạy đến cả hai cột mốc này, Martinis nói, và họ sẽ tiết lộ kết quả thử nghiệm của mình trong những tháng tới.

Chip Sycamore bao gồm 54 bit lượng tử (qubit) (trong đó 1 qubit bị hỏng), mỗi qubit được tạo thành từ các vòng siêu dẫn.

Aaronson nói rằng thí nghiệm mà Google nghĩ ra để chứng minh uy quyền lượng tử có thể có các ứng dụng thực tế: ông đã tạo ra một giao thức để sử dụng phép tính như vậy để chứng minh cho người dùng rằng các bit được tạo bởi bộ tạo số ngẫu nhiên lượng tử thực sự là ngẫu nhiên. Điều này có thể hữu ích, ví dụ, trong mật mã học và một số loại tiền điện tử có bảo mật dựa trên các khóa ngẫu nhiên.

Các kỹ sư của Google đã phải thực hiện một loạt các cải tiến cho phần cứng của họ để chạy thuật toán, bao gồm xây dựng các thiết bị điện tử mới để điều khiển mạch lượng tử và nghĩ ra một cách mới để kết nối các qubit, Martinis nói. “Đây thực sự là nền tảng để chúng tôi mở rộng quy mô trong tương lai. Chúng tôi nghĩ rằng kiến trúc cơ bản này mở ra con đường phía trước”, ông nói.