Các nhà vật lý Trung Quốc thách thức “lợi thế lượng tử” của Google

Một nhóm nghiên cứu ở Trung Quốc mới đây tuyên bố đã có được minh chứng thực sự đầu tiên về “lợi thế lượng tử” – thành công về hoạt động khác thường của cơ học lượng tử trong việc thực hiện các phép tính siêu nhanh so với máy tính cổ điển.

Họ đã sử dụng những chùm tia ánh sáng để thực hiện một phép tính đã được chứng minh về mặt toán học là không thể thực hiện trên những máy tính thông thường. Nhóm nghiên cứu này đạt được điều này chỉ trong vài phút, điều mà ngay cả những siêu máy tính hàng đầu thế giới hiện nay cũng phải mất quãng thời gian bằng nửa độ tuổi trái đất. Tương phản minh chứng đầu tiên về lợi thế lượng tử của Google vào năm ngoái, phiên bản của họ không thể bị bất kỳ máy tính cổ điển nào bác bỏ. Kết quả nghiên cứu của họ đã được xuất bản trên Science vào ngày 3/12/2020 vừa qua với tiêu đề “Quantum computational advantage using photons”.

“Chúng tôi đã chứng tỏ là chúng tôi có thể sử dụng các photo, đơn vị cơ bản của ánh sáng, để thực hiện quyền năng tính toán lượng tử tốt vượt quá khả năng của các bản sao cổ điển,” Jian-Wei Pan tại trường đại học KH&CN Trung Quốc ở Hợp Phì. Ông đã cho biết thêm là phép tính mà họ thực hiện – vấn đề lấy mẫu boson – không chỉ là một cách thức phổ biến để chứng minh lợi thế lượng tử mà còn có tiềm năng ứng dụng thực tế trong lý thuyết đồ thị, hóa lượng tử và học máy.

“Dĩ nhiên đây là một thực nghiệm xuất sắc và là một cột mốc quan trọng”, nhà vật lý Ian Walmsley tại Imperial College London, đánh giá.

Lợi thế lượng tử thách thức

Các nhóm nghiên cứu ở cả các phòng thí nghiệm hàn lâm hoặc liên kết với giới công nghệ đều ganh đua đạt được lợi thế lượng tử (một thuật ngữ được sử dụng rộng rãi để thay thế cho cụm từ ‘uy quyền lượng tử’ trước đây).

Năm ngoái, các nhà nghiên cứu ở Phòng thí nghiệm Máy tính lượng tử Google ở Santa Barbara, California, đã loan báo thực hiện thành công lợi thế lượng tử đầu tiên. Họ sử dụng thiết bị Sycamore vô cùng tối tân của mình gồm 53 bit lượng tử (qubit) được làm từ các mạch siêu dẫn để giữ ổn định các mức nhiệt độ siêu lạnh.

Nhưng một số nhà nghiên cứu lượng tử lại bài xích tuyên bố này khi dựa trên cơ sở là một thuật toán cổ điển có thể còn làm tốt hơn trên một máy tính lượng tử khác. Và các nhà nghiên cứu tại IBM tuyên bố là về nguyên tắc các siêu máy tính cổ điển có thể chạy được các thuật toán này để thực hiện các tính toán tương tự trong vòng 2,5 ngày.

Để chứng minh được một cách thuyết phục lợi thế lượng tử, đó phải là một phương pháp cỏ điển nhanh hơn đáng kể có thể cho nhiệm vụ đang được thử nghiệm.

Nhóm nghiên cứu ở Hợp Phì do Pan và Chao-Yang Lu, lựa chọn một vấn đề khác biệt cho chứng minh của họ, gọi là mẫu boson. Vào năm 2011, hai nhà khoa học máy tính, Scott Aaronson và Alex Arkhipov tại Viện công nghệ Massachusetts đề xuất bài toán này. Nó tập trung vào tính toán xác suất phân bố của nhiều hạt boson – một loại hạt cơ bản bao gồm cả các hạt photon, các sóng lượng tử của nó về cơ bản ngẫu nhiên làm nhiễu vị trí của các hạt khác. Xác suất của việc dò được một hạt boson tại điểm cho trước có thể được tính từ một phương trình có nhiều thành phần chưa biết.
200 giây.

Nhưng phép tính trong trường hợp này là một “bài toán #P’ (P time) - là một bài toán mà có thể giải với thời gian cỡ đa thức - vốn thậm chí còn khó hơn cả các bài toán NP (nondeterministic polynomial time thuật toán bất định trong thời gian đa thức) – một tập hợp các bài toán quyết định giải được trong thời gian đa thức, bởi con số các lời giải tăng lên theo hàm mũ theo số lượng các biến. Với hàng chục hạt boson, Aaronson và Arkhipov chứng tỏ là không có lối tắt cổ điển nào có thể thực hiện được với một phép tính dài tưởng chừng bất tận này.

Tuy nhiên một máy tính lượng tử có thể gia tốc được phép tính này bằng mô phỏng xử lý lượng tử một cách trực tiếp – cho phép các hạt boson giao thoa và lấy mẫu phân bố kết quả. Để làm được điều này, Pan và cộng sự chọn lấy các hạt photon làm các qubit. Họ đặt nó vào một máy tính lượng tử photon hoạt động ở nhiệt độ phòng.

Bắt đầu với những xung laser, các nhà nghiên cứu đã mã hóa thông tin theo vị trí không gian và phân cực các trạng thái photon cụ thể - định hướng điện từ trường của những hạt photon. Các trạng thái này sau đó được đưa lại gần nhau để giao thoa với nhau và tạo ra phân bố photon, kết quả mà họ mong muốn. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các máy dò photon có năng lực ghi được các photon đơn lẻ để đo lường mức phân bố, vốn ảnh hưởng đến việc mã hóa các tính toán khó có thể thực hiện theo cách giải thông thường.

Theo cách đó, Pan và cộng sự có thể tìm thấy các lời giải cho bài toán lấy mẫu boson trong vòng 200 giây. Họ ước tính có thể mất 2,5 tỉ năm để làm được bài toán tương tự trên siêu máy tính TaihuLight.

Những bài toán cụ thể

“Đây là lần đầu tiên lợi thế lượng tử sử dụng ánh sáng hay các hạt photon,” Christian Weedbrook, giám đốc điều hành startup lượng tử Xanadu ở Toronto, Canada, vốn đang thiết kế các máy tính lượng tử trên cơ sở các hạt photon, nhận xét.

Walmsley cho biết, tuyên bố về lợi thế lượng tử này rất thuyết phục. “Bởi vì thực nghiệm này ở mức rất gần với sơ đồ Aaronson–Arkiphov ban đầu mà một thuật toán cổ điển không thể thực hiện được”, ông nói.

Tuy vậy, Weedbrook chỉ ra là tương phản với Sycamore của Google, mạch photon của nhóm nghiên cứu Trung Quốc không lập trình được, vì vậy điểm này “không thể được sử dụng để giải quyết những bài toán cụ thể”.

Nhưng ông cũng cho biết thêm là nếu nhóm nghiên cứu này có khả năng xây dựng một chip lập trình được đủ hiệu quả thì phần nhiều những bài toán quan trọng trên máy tính có thể vẫn giải quyết được. Giữa những dự doán về cách các protein kết nối với nhau và cách các phân tử dao động, Lu nói.

Weedbrook lưu ý, các tính toán lượng tử photon bắt đầu muộn hơn các cách tiếp cận khác nhưng hiện giờ nó có thể nhảy vọt so với phần còn lại. Với bất cứ tốc độ nào thì “việc máy tính lượng tử cho các máy tính cổ điển tụt hậu chỉ còn là vấn đề thời gian”, ông cho biết.