Gửi lúc: 20/08/2018 15:21:55
Bookmark and Share

Kỷ nguyên máy tính lượng tử: Những nghiên cứu hiện nay và triển vọng

Sau nhiều thập kỷ phát triển với ít triển vọng, gần đây hoạt động xung quanh lĩnh vực tính toán lượng tử đã trở nên sôi động trở lại.

Untitled Document


Năm 2016, hãng IBM đã giới thiệu máy tính lượng tử có 5 bit lượng tử (Qubit), mà sau đó được gọi là IBM Q Experience. Khi đó, thiết bị này được sử dụng như một món đồ chơi cho các nhà nghiên cứu hơn là một công cụ xử lý dữ liệu thực sự. Tuy nhiên, trên thế giới, đã có có hơn 70 nghìn người đăng ký trải nghiệm thiết bị này và số Qubit đã tăng lên bốn lần vào thời điểm hiện nay. Năm 2017, hãng IBM và Intel đã công bố chế tạo thành công máy tính lượng tử với 50 và 49 Qubit và Google cũng được cho rằng đang chế tạo một máy tính lượng tử. Nhà vật lý Jens Ajzert của Đại học Free University tại Berlin (Đức) cho rằng, lĩnh vực tính toán lượng tử đang trở nên sôi động và các tiến triển gần đây trong lĩnh vực này là đáng kinh ngạc.

Hiện nay, thuật ngữ “tính vượt trội lượng tử” đang được nhắc đến nhiều. Đó là khả năng một máy tính lượng tử có thể thực hiện công việc hơn cả các siêu máy tính mạnh nhất. Nếu chỉ so sánh các con số, như 50 Qubit so với hàng tỉ bit thông thường của một máy tính, thì khó có thể thấy được rõ ràng. Nhưng bit lượng tử có khả năng xử lý mạnh hơn rất nhiều so với bit thông thường. Từ lâu, các nhà nghiên cứu cho rằng 50 Qubit đã được xem là đủ để thực hiện các tính toán mà một máy tính thông thường sẽ phải thực hiện trong khoảng thời gian vô hạn. Vào giữa năm 2017, các nhà nghiên cứu của Google thông báo rằng, họ sẽ chứng minh tính vượt trội lượng tử vào cuối năm đó.

Tuy nhiên không nên vội vã cho rằng những vấn đề cơ bản đối với máy tính lượng tử đã được giải quyết xong và khi máy tính lượng tử là phổ biến trong tương lai chỉ còn là vấn đề về trang bị kỹ thuật. Thực tế, những vấn đề vật lý cơ bản của tính toán lượng tử còn chưa giải quyết được và hiện tại chúng là không thể thiếu trong quá trình tính toán lượng tử. Ngay cả khi bước vào thời đại vượt trội lượng tử, thì có thể chỉ trong một hoặc hai năm tiếp theo sẽ có những câu hỏi rằng, liệu máy tính lượng tử có thật sự là một cuộc cách mạng tính toán? Tuy lĩnh vực này có rất nhiều triển vọng, nhưng mọi thứ vẫn còn ở phía trước và chưa có gì đảm bảo là sẽ đạt được mục tiêu lớn.

Tính toán lượng tử

Những ưu thế và thách thức của tính toán lượng tử phụ thuộc vào nền tảng vật lý của nó. Cơ sở của tính toán lượng tử đã được đề cập nhiều nhưng không phải lúc nào cũng làm rõ được bản chất thực sự của cơ học lượng tử. Máy tính thông thường lưu trữ, mã hóa và xử lý thông tin trong hệ nhị phân (0 hoặc 1). Máy tính lượng tử cũng tương tự, nhưng mỗi Qubit lại có thể ở trạng thái “chồng chập”, tức là có thể đồng thời là 0 và 1. Điều này có nghĩa là, chỉ có thể xác định trạng thái của Qubit với một xác suất nào đó.

Để thực hiện tính toán với một số lượng lớn các Qubit, tất cả các Qubit phải ở trong trạng thái “chồng chập” phụ thuộc lẫn nhau, tức ở trạng thái liên đới lượng tử (quantum entanglement), trong đó tất cả các Qubit liên đới với nhau. Trong trường hợp này, một thay đổi nhỏ của một Qubit có thể ảnh hưởng đến tất cả các Qubit còn lại. Điều này có nghĩa là các phép tính toán sử dụng Qubit có hiệu suất cao hơn so với sử dụng bit cổ điển. Trong thiết bị tính toán thông thường, hiệu suất tính toán đơn giản phụ thuộc vào số lượng bit, nhưng với máy tính lượng tử, khi thêm mỗi Qubit sẽ làm tăng khả năng tính toán lên gấp đôi. Đó là lý do tại sao sự khác biệt giữa các máy tính lượng tử 5 Qubit và 50 Qubit là rất lớn.

Lưu ý rằng, có một số quan điểm thường thấy, đó là tính vượt trội của máy tính lượng tử đối với máy tính thông thường là do sự tồn tại của trạng thái chồng chập, nên có thể làm gia tăng rất nhiều số lượng các trạng thái có thể khi mã hóa; hoặc tính liên đới cho phép thực hiện nhiều tính toán cùng một lúc (trên thực tế, mức độ liên đới mạnh của các Qubit không phải là điều kiện tiên quyết). Những quan điểm này chỉ có một phần đúng, và không thể hiện bản chất của tính toán lượng tử.

Do cơ học lượng tử là rất phức tạp, nên việc giải thích sức mạnh của tính toán lượng tử theo cách định lượng là rất khó. Các phương trình của cơ học lượng tử cho thấy, cơ học lượng tử thực hiện được ít nhất với một số dạng tính toán với tốc độ rất nhanh (như phân tích số hay tìm kiếm cơ sở dữ liệu). Tuy nhiên, tốc độ này thực sự nhanh như thế nào?

Có lẽ cách tốt nhất để mô tả tính toán lượng tử, đó là cơ học lượng tử có thể tạo ra tài nguyên tính toán mà các thiết bị thông thường không có được. Theo nhà vật lý Daniel Gottesman của Viện vật lý lý thuyết Perimeter ở Waterloo (Canada), chỉ khi có đủ lượng cơ học lượng tử thì mới có quá trình tăng tốc tính toán.
Mặc dù vậy, có một số điều khá rõ ràng, đó là thực hiện tính toán lượng tử đòi hỏi tất cả các Qubit phải liên đới với nhau, tuy nhiên điều này vô cùng khó khăn. Sự tương tác của các Qubit với môi trường xung quanh tạo ra các kênh, qua đó tính liên đới bị phá vỡ. Quá trình này được gọi là sự phi liên đới hóa (decoherence). Công việc chế tạo máy tính lượng tử phái ngăn chặn được điều này. Các nhà nghiên cứu muốn chế tạo máy tính lượng tử phải ngăn chặn được quá trình phi liên đới hóa. Hiện tại, họ chỉ ngăn chặn được hiện tượng này trong một phần nhỏ của giây. Thách thức này trở nên khó khăn hơn khi số lượng Qubit tăng lên và do đó sự tương tác với môi trường xung quanh cũng tăng lên. Vì vậy, mặc dù ý tưởng về máy tính lượng tử lần đầu tiên được đề xuất bởi Richard Feynman vào năm 1982 và lý thuyết cũng đã được phát triển vào những năm 90 của thế kỷ 20, nhưng để chế tạo thiết bị có khả năng tính toán thực sự thì chỉ đến bây giờ mới có thể thực hiện được.

Lỗi lượng tử

Lý do quan trọng thứ hai khiến việc chế tạo máy tính lưọng tử trở nên vô cùng khó khăn, đó là giống như mọi quá trình khác, máy tính lượng tử cũng tạo ra nhiễu. Các dao động ngẫu nhiên từ nhiệt độ của các Qubit hay bản chất là từ các quá trình cơ học lượng tử cơ bản có thể thay đổi trạng thái của các Qubit, dẫn đến sự không chính xác trong tính toán. Nguy cơ này cũng tồn tại trong máy tính thông thường, nhưng được khắc phục khá đơn giản: chỉ cần tạo ra hai hoặc nhiều hơn các bản sao dự trữ cho mỗi bit thì sẽ biết được bit nào bị đảo ngược ngẫu nhiên.

Trong quá trình nghiên cứu chế tạo máy tính lượng tử, các nhà khoa học đã phát triển một số phương pháp giải quyết vấn đề nhiễu, nhưng tất cả đều dẫn đến phát sinh một lượng lớn chi phí tính toán bổ sung, vì công suất xử lý được dành cho việc sửa lỗi mà không phải để thực hiện các thuật toán. Theo Andrew Childs, đồng chủ tịch của Trung tâm phối hợp Thông tin lượng tử và Khoa học máy tính tại Đại học Maryland (Mỹ), hiện tại tỷ lệ lỗi đã hạn chế thời gian tính toán một cách đáng kể, do đó cần phải làm tốt hơn nữa nếu thực sự muốn đạt được mục tiêu.

Nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực cơ sở tính toán lượng tử tập trung vào các phương pháp sửa lỗi. Đôi khi sự phức tạp nằm ở một trong các thuộc tính quan trọng nhất của hệ thống lượng tử: tính chồng chập chỉ có thể được duy trì nếu không đo giá trị của Qubit. Đo lường sẽ phá hủy tính chồng chập và dẫn đến một đại lượng xác định: 1 hoặc 0. Tuy nhiên, làm thế nào để xác định liệu lỗi có xảy ra trong hoạt động của Qubit hay không khi không biết Qubit đang ở trạng thái nào?

Một lược đồ đã đề xuất sử dụng cách đo lường gián tiếp bằng cách kết hợp Qubit với Qubit bổ trợ thứ hai. Qubit thứ hai không tham gia vào tính toán, do đó việc đo lường sẽ không ảnh hưởng đến trạng thái của Qubit chính. Tuy nhiên, thực hiện điều này lại rất khó, bởi để tạo ra một “Qubit logic” thực sự có thể tự bảo vệ chống được lỗi sẽ cần rất nhiều Qubit vật lý.

Theo nhà vật lý về lý thuyết lượng tử Alan Guzik của đại học Harvard, hiện tại để tạo ra một Qubit logic cần khoảng 10.000 Qubit vật lí, đây là điều mà hiện nay chưa thể thực hiện được. Nếu Qubit phát triển hơn, con số này sẽ giảm xuống một vài nghìn hoặc thậm chí hàng trăm. Nhà vật lý Eisert thì không quá bi quan như vậy, ông tin rằng khoảng 800 Qubit vật lý là đủ, nhưng ông cũng đồng ý rằng ngay cả với số lượng đó thì chi phí phát sinh của tính toán vẫn rất lớn. Do đó, cần tìm ra phương pháp đối phó với lỗi.

Một cách sửa lỗi khác là tránh lỗi hoặc ngăn chặn tác động của chúng. Các nhà nghiên cứu tại IBM đang phát triển các lược đồ tính toán xác suất xuất hiện lỗi và sau đó chấp nhận kết quả thu được làm mức 0 của nhiễu.

Một số nhà nghiên cứu cho rằng vấn đề sửa lỗi sẽ vẫn không giải quyết được, khiến máy tính lượng tử không thể đạt được khả năng vượt trội như nó được dự đoán. Theo Gil Kalai - nhà toán học tại Đại học tổng hợp Israel, việc tạo mã sửa lỗi lượng tử phức tạp hơn nhiều so với việc thể hiện tính vượt trội lượng tử. Ông cho rằng, các thiết bị không có chức năng sửa lỗi là rất nguyên thủy trong các tính toán và tính vượt trội không thể được dựa trên tính nguyên thủy. Nói cách khác, máy tính lượng tử không hơn máy tính thông thường nếu không có khả năng sửa lỗi.

Một số nhà khoa học khác lại cho rằng vấn đề này sẽ được giải quyết. Jay Gambetta - chuyên gia trong lĩnh vực tin học lượng tử thuộc trung tâm nghiên cứu Thomas J. Watson của IBM - cho rằng, những thí nghiệm của IBM đã chứng minh thành công những thành phần cơ bản của việc sửa lỗi trong các thiết bị nhỏ, mở ra cơ hội cho các thiết bị lớn hơn với khả năng lưu trữ thông tin lượng tử một cách tin cậy trong thời gian dài dù có sự tồn tại của nhiễu.

Tuy nhiên, Gambetta cũng công nhận rằng, với tình hình hiện nay, để chế tạo một máy tính lượng tử phổ thông, có khả năng sửa lỗi và sử dụng Qubit logic trong tương lai gần là khó có thể xảy ra. Mặc dù vậy, các nghiên cứu này khiến Childs khá lạc quan rằng sẽ có những thí nghiệm thành công hơn về vấn đề sửa lỗi, nhưng sẽ cần thời gian để có thể thực sự sử dụng máy tính lượng tử cho những tính toán thực tế.

Thích ứng với lỗi

Thách thức được đặt ra là làm thế nào để thích ứng với lỗi? Các nhà khoa học tại IBM cho rằng, trong tương lai gần, lĩnh vực nghiên cứu “tính toán lượng tử gần đúng” sẽ tập trung vào tìm kiếm cách thức thích ứng với nhiễu.

Điều này đòi hỏi phải tạo ra các thuật toán có khả năng đưa ra kết quả chính xác mặc dù có lỗi. Quá trình này có thể được so sánh với việc tính kết quả bầu cử mặc dù một vài lá phiếu có thể tính nhầm. Theo Gambetta, tính toán lượng tử đủ lớn với độ chính xác cao cần có các lợi thế hơn so với tính toán thông thường, thậm chí khi chấp nhận một số lỗi.

Một trong những ứng dụng công nghệ có khả năng chống lỗi mới nhất đó là mô phỏng ở cấp độ nguyên tử (trong thực tế, đây là động lực để Feynman đề xuất ý tưởng máy tính lượng tử). Các phương trình cơ học lượng tử mô tả các phương pháp tính toán các thuộc tính như sự ổn định hoặc phản ứng hóa học của các phân tử, nhưng những phương trình này không thể giải được nếu không sử dụng một số lượng lớn các phép quy giản.

Tuy nhiên, theo Childs, hành vi lượng tử của electron và nguyên tử tương đối giống với hành vi tự nhiên của máy tính lượng tử. Điều này có nghĩa có thể xây dựng chính xác một mô hình máy tính phân tử. Guzik Aspyru - một trong những người đầu tiên thúc đẩy tính toán lượng tử theo hướng này - đã chia sẻ rằng, nhiều thành viên của cộng đồng khoa học tin rằng ứng dụng thành công đầu tiên của máy tính lượng tử sẽ liên quan đến hóa học lượng tử và khoa học vật liệu.

Mô hình hóa lượng tử chứng minh tính hữu dụng của nó ngay cả trên những máy tính lượng tử rất nhỏ đã có ngày nay. Một nhóm các nhà nghiên cứu, trong đó có Aspyru Guzik, đã phát triển thuật toán có tên là “Phương pháp biến phân giải các bài toán trong cơ học lượng tử” (variational quantum eigensolver, gọi tắt là PPBP). Thuật toán này cho phép tìm được trạng thái tốn ít năng lượng nhất của phân tử, thậm chí với các Qubit nhiễu. Tại thời điểm này, nó chỉ có thể xử lý các phân tử rất nhỏ với một số lượng nhỏ electron.

Các máy tính thông thường cũng giải quyết tốt bài toán này, nhưng khả năng của các máy tính lượng tử đang tăng lên. Tháng 9/2017, Gambetta và đồng nghiệp đã chứng minh điều này khi được sử dụng thiết bị 6 Qubit để tính toán cấu trúc điện tử của phân tử. Công trình đã trở thành một bước đột phá đáng kể cho lượng tử học, như lời của Markus Reiher - một chuyên gia trong lĩnh vực hóa lý của Học viện Công nghệ tại Zurich (Thụy Sĩ). Theo Gambetta, việc sử dụng PPBP để mô phỏng các phân tử nhỏ là một ví dụ về tính khả thi của việc sử dụng các thuật toán heuristic ngắn hạn.

Tuy nhiên, theo Aspuru Guzik, các Qubit logic có khả năng sửa lỗi là cần thiết để máy tính lượng tử thực sự vượt qua máy tính thông thường. Ông hi vọng ngày tính toán toán lượng tử có khả năng sửa lỗi trở thành hiện thực.

Reiher bổ sung, nếu có hơn 200 Qubit thì sẽ có thể làm nên nhiều điều trong lĩnh vực hóa học lượng tử; với 5.000 Qubit, máy tính lượng tử có thể tạo nên sự đột phá.

Khối lượng là bao nhiêu?

Mặc dù với những khó khăn như vậy, sự phát triển nhanh chóng của máy tính lượng tử từ 5 Qubit lên 50 Qubit chỉ trong vòng một năm đã mang tới nhiều hi vọng. Tuy nhiên, không nên quá hi vọng vào con số này, bởi quan trọng hơn không phải là có bao nhiêu Qubit mà là chúng làm việc như thế nào và hiệu quả của các thuật toán đến đâu.

Bất kỳ tính toán lượng tử nào cũng cần hoàn thiện trước khi kết thúc bằng quá trình phi liên đới hóa. Thông thường, các nhóm Qubit hiện tại có thời gian phi liên đới hóa là vài micro giây. Số lượng các phép toán logic có thể thực hiện trong khoảng thời gian ngắn này phụ thuộc vào tốc độ chuyển đổi của các cổng lượng tử. Khi tốc độ trở nên quá chậm thì vấn đề có bao nhiêu Qubit không còn ý nghĩa nữa. Số lượng các phép tính cần cho tính toán được gọi là độ sâu tính toán: thuật toán càng có độ sâu thì càng hiệu quả hơn. Tuy nhiên, không thể biết chính xác liệu chúng có mang lại ích lợi trong tính toán hay không.

Hơn nữa, không phải tất cả Qubit đều có độ nhiễu như nhau. Về mặt lí thuyết, có thể tạo các Qubit với độ nhiễu rất thấp từ trạng thái tôpô điện tử của một số vật liệu cụ thể: nếu sử dụng các electron ở trạng thái này để mã hóa thông tin nhị phân, nó sẽ bảo vệ chống lại được nhiễu ngẫu nhiên. Trong một nỗ lực để tìm trạng thái tôpô của các hạt, các nhà nghiên cứu của Microsoft chủ yếu nghiên cứu các vật liệu lượng tử khác lạ. Tuy nhiên, hiện chưa có đảm bảo nào về việc chúng có thể được tìm thấy hoặc có thể điều khiển.

Để biểu thị sức mạnh của tính toán lượng tử trên một thiết bị cụ thể, các nhà nghiên cứu của IBM đã đề xuất thuật ngữ “khối lượng lượng tử”. Đó là một con số tập hợp tất cả những yếu tố quan trọng: độ sâu của thuật toán, số Qubit và tính liên kết giữa chúng, cũng như các chỉ số chất lượng của các cổng lượng tử khác như mức độ nhiễu. Nói chung, khối lượng lượng tử đặc trưng cho sức mạnh tính toán lượng tử. Theo Gambetty, hiện tại cần phát triển các thiết bị tính toán lượng tử cho phép tăng khối lượng lượng tử đang có. Đây là một trong những lý do tại sao tính vượt trội lượng tử là một ý tưởng khá mơ hồ.

Kết luận

Viễn cảnh máy tính lượng tử 50 Qubit (hoặc nhiều Qubit hơn) sẽ vượt qua siêu máy tính hiện đại là khá hấp dẫn, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết. Máy tính lượng tử vượt trội hơn siêu máy tính khi giải các bài toán nào? Làm thế nào để xác định câu trả lời là đúng khi không thể kiểm tra được độ chính xác bằng một thiết bị thông thường? Và điều gì đảm bảo rằng khi có một thuật toán tốt hơn cho máy tính thông thường, thì vẫn không hiệu quả bằng máy tính lượng tử?

Vì vậy, tính vượt trội lượng tử là một khái niệm đòi hỏi phải thận trọng. Một số nhà nghiên cứu khác lại giải thích về “ưu thế của lượng tử”, nói về sự nhảy vọt trong việc phát triển công nghệ lượng tử, chứ không phải là về chiến thắng của máy tính lượng tử đối với máy tính thông thường.

Dù sao, quan niệm máy tính lượng tử có thể thực hiện tính toán hơn máy tính thông thường có tầm quan trọng về mặt tâm lý trong lĩnh vực này. Ajzert tin tưởng rằng, thời điểm có thể chứng minh lợi thế của lượng tử một cách rõ ràng sẽ là thời điểm quan trọng đi vào lịch sử, nó sẽ chứng tỏ rằng máy tính lượng tử thực sự có thể mở rộng khả năng công nghệ của nhân loại.

Cũng có thể nó sẽ là sự kiện mang tính biểu tượng chứ không phải là đột phá trong lĩnh vực tính toán, tuy nhiên nó đáng được chú ý. Để đạt được sự vượt trội lượng tử, cần có sự tương tác giữa nhà phát triển và người dùng, trong đó người dùng phải tin tưởng vững chắc vào những nỗ lực của nhà phát triển.

Trong việc theo đuổi sự hợp tác này, IBM và Google đang cố gắng cung cấp cho người dùng các sáng chế của họ càng nhanh càng tốt. Trước đây, IBM đã cho phép tất cả những người đã đăng ký trực tuyến có thể tiếp cận máy tính 16 Qubit IBM Q. Hiện tại, công ty đã phát triển phiên bản 20 Qubit cho các đối tác, bao gồm JP Morgan Chase, Daimler, Honda, Samsung và Đại học Oxford. Sự hợp tác này không chỉ giúp đối tác tìm hiểu về thiết bị này, mà còn tạo ra một cộng đồng các lập trình viên có hiểu biết về lượng tử. Đây sẽ là những đối tượng tiềm năng trong việc phát triển các tính năng mới và giải quyết các vấn đề về máy tính lượng tử hơn cả khuôn khổ trong công ty.

Philip Ball là nhà văn Anh nổi tiếng chuyên viết về các lĩnh vực khoa học. Ông có bằng hóa học của Đại học Oxford và bằng tiến sĩ vật lý của đại học Bristol. Ông viết cho các tạp chí Nature, Chemistry World, New Scientist,…. Ông đã xuất bản nhiều đầu sách, trong đó nổi tiếng nhất là cuốn “How One Thing Leads to Another”, giành giải Aventis Prize cho sách khoa học.

Trần Đức Lịch (dịch từ Tạp chí Wired 2/2018)