Google tuyên bố bước ngoặt “uy quyền lượng tử”

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”), được hiểu nôm na là uy quyền của máy tính lượng tử có thể giải quyết các vấn đề phức tạp trong thời gian ngắn hơn đáng kể so với máy tính (cổ điển) thông thường.

Các nhà khoa học tại Google nói rằng họ đã đạt được uy quyền lượng tử này, một cột mốc đã được mong đợi từ lâu trong điện toán lượng tử. Thông báo này được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 23/10, sau khi bài báo rò rỉ phiên bản đầu tiên 5 tuần trước.

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, nói rằng máy tính lượng tử của họ đã thực hiện một phép tính cụ thể vượt quá khả năng thực tế của máy tính thông thường, "cổ điển". Ngay cả siêu máy tính "cổ điển" tốt nhất cũng cần 10.000 năm để hoàn thành một phép tính tương tự, Google ước tính.

Máy tính lượng tử hoạt động hoàn toàn khác so với máy cổ điển: bit cổ điển là 1 hoặc 0, nhưng bit lượng tử (qubit), có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc. Bài báo từ Google mô tả cách mà một máy tính lượng tử, tên gọi Sycamore, gồm 53 qubit siêu dẫn khả trình (có thể lập trình được) được sử dụng để xác định đầu ra của mạch lượng tử được chọn một cách ngẫu nhiên từ một chuỗi các cổng lượng tử. Đầu ra là một chuỗi các số nhị phân và nếu quá trình được lặp lại nhiều lần, kết quả có thể được mô tả như một phân bố xác suất giống một mẫu giao thoa. Điều này phát sinh từ sự giao thoa lượng tử vốn có trong thế giới lượng tử, là nền tảng cho hoạt động của các mạch lượng tử. Mẫu giao thoa được xác định bởi một bộ xử lý lượng tử của Google bằng cách thực hiện một triệu phép đo trên một mạch lượng tử với thời gian khoảng 200 giây (3 phút 20 giây).

Để xác minh thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã so sánh kết quả với các kết quả từ mô phỏng các phiên bản mạch nhỏ hơn và đơn giản hơn, được thực hiện bởi các máy tính cổ điển - bao gồm siêu máy tính Summit tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge ở Tennessee. Ngoại suy từ các ví dụ này, nhóm Google ước tính rằng việc mô phỏng toàn bộ mạch sẽ mất 10.000 năm ngay cả trên một máy tính có một triệu đơn vị xử lý (tương đương với khoảng 100.000 máy tính để bàn).

Martinis 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, Martinis nói. 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 tăng tốc 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 báo cáo 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. Vào thời điểm 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 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.

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 21/10 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 cần thiết để có kết quả từ các tính toán cổ điển là ngắn hơn, 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.

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 tạo ra ấn tượng sai 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 để giải quyết một nhiệm vụ hữu ích mà không thể thực hiện bằng bất kỳ cách nào khác, chẳng hạn như tính cấu trúc điện tử của một phân tử cụ thể - một vấn đề đòi hỏi phải mô hình hóa nhiều tương tác lượng tử.

Một bước quan trọng khác, theo Scott Aaronson, nhà khoa học máy tính lý thuyết tại Đại học Texas ở Austin, là thể hiện uy quyền lượng tử trong thuật toán sử dụng một quá trình được gọi là sửa lỗi - một phương pháp để sửa các lỗi gây ra nhiễu sẽ 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.

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 sử dụng phép tính như vậy để chứng minh 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 đối với phần cứng 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.