Máy tính lượng tử của Google

Tính vượt trội lượng tử

Một nhóm chuyên gia được dẫn đầu bởi John Martinis, nhà vật lý thực nghiệm tại Đại học California, thành phố Santa Barbara và tại Google, thành phố Mountain View, đã tuyên bố rằng máy tính lượng tử của họ đã thực hiện được một phép tính cụ thể vượt quá khả năng thực tế của máy tính “cổ điển” thông thường. Các chuyên gia của Google ước tính, các siêu máy tính “cổ điển” tốt nhất hiện có cũng phải cần tới 10.000 năm để hoàn thành một phép tính tương tự.

Hiện nay, các siêu máy tính phải mất rất nhiều thời gian mới có thể giải quyết được những bài toán với độ phức tạp tính toán cao. Ví dụ, 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 năm, tức lớn hơn cả tuổi thọ của vũ trụ, từ đó có thể coi như đồng nghĩa với không thể giải được. Trong khi đó, máy tính 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 trong khoảng 2 giây. Đó là “vượt trội lượng tử” (quantum supremacy), nghĩa là vượt trội của máy tính lượng tử có thể giải quyết các bài toán phức tạp trong thời gian ngắn hơn rất nhiều so với máy tính cổ điển thông thường.

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 dưới nhiều trạng thái cùng một lúc. Bài báo của Google mô tả cách mà một máy tính lượng tử với tên gọi Sycamore, gồm 53 qubit siêu dẫn có thể lập trình, được sử dụng để xác định đầu ra của các mạch lượng tử được chọn ngẫu nhiên từ một chuỗi các cổng lượng tử. Đầu ra là một chuỗi các số nhị phân và nếu tiến trình này được lặp lại nhiều lần, kết quả có thể được mô tả như một phân bố xác suất giống như 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 Sycamore bằng cách thực hiện một triệu phép đo trên mạch lượng tử với thời gian khoảng 200 giây (3 phút 20 giây).

Để xác minh thí nghiệm, nhóm chuyên gia đã so sánh kết quả nghiên cứu 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. Trong số đó có siêu máy tính Summit tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge tại Tennessee. 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). Sycamore chỉ mất 3 phút 20 giây.

Các chuyên gia của Google cho biết, vượt trội 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 hiện tại lợi thế này mới chỉ được chứng minh trong một trường hợp cụ thể, thì nó vẫn cho thấy cơ học lượng tử có thể hoạt động như mong đợi khi được khai thác để giải quyết một bài toán phức tạp. Thí nghiệm này cho thấy rằng, phần cứng và phần mềm lượng tử đang hoạt động chính xác.

Đánh giá của các nhà khoa học

Nhà vật lý lượng tử Michelle Simmons tại Đại học New South Wales, Sydney, Úc nhận xét, dường như Google đã đưa ra bằng chứng thực nghiệm đầu tiên về tính khả thi của tăng tốc lượng tử trong hệ thống thực tế.

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

Scott Aaronson, một nhà khoa học máy tính lý thuyết tại Đại học Texas, thành phố Austin tin tưởng rằng, thành tựu khoa học này là rất lớn, có thể đứng vững được trong hiện tại và cả tương lai.

Bàn luận của giới chuyên môn

Các nhà nghiên cứu bên ngoài Google đã cố gắng cải thiện các thuật toán cổ điển được sử dụng để giải quyết bài toán này, với hi vọng làm giảm ước tính tương đương 10.000 năm của công ty này.

IBM, một đối thủ của Google trong cuộc đua xây dựng máy tính lượng tử tốt nhất, đã báo cáo trong một bài nháp sơ bộ vào ngày 21/10/2019 rằng, bài toán “10.000 năm” có thể được giải quyết chỉ trong 2,5 ngày bằng cách sử dụng một kỹ thuật cổ điển khác. Báo cáo sơ bộ này của IBM chưa được bình duyệt, nhưng nếu IBM đúng, họ sẽ làm giảm kỳ tích về chứng minh lợi thế lượng tử của Google, rằng tính toán lượng tử của Google có thể nhanh hơn nhiều nhưng vẫn chưa nằm ngoài tầm với của máy tính cổ điển.

Nhà vật lý lượng tử Simmons thêm ý kiến rằng, dù thế nào thì đây vẫn là một cột mốc quan trọng, là lần đầu tiên tính vượt trội lượng tử được biểu diễn, nên chắc chắn đây là một kết quả quan trọng.

Google cho rằng, bằng chứng của họ về vượt trội lượng tử là rất chặt chẽ. Hartmut Neven, người điều hành nhóm máy tính lượng tử Google cho biết, ngay cả khi các nhà nghiên cứu bên ngoài giảm thời gian cần thiết để có kết quả từ các tính toán cổ điển, thì phần cứng lượng tử vẫn đang được cải thiện, nghĩa là các máy tính thông thường sẽ khó có thể bắt kịp.

Christopher Monroe, một nhà vật lý tại Đại học Maryland ở College Park cho rằng, 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. Tuy nhiên, ông cũng cảnh báo không nên tạo ra ấn tượng sai về ứng dụng thực tế hiện nay của máy tính lượng tử.

Hiện tại, 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.

Theo Scott Aaronson, một bước quan trọng khác là thể hiện vượt trội lượng tử trong thuật toán sử dụng một tiến trình được gọi là sửa lỗi - phương pháp sửa các lỗi gây ra nhiễu mà sẽ làm hỏng tính toán. Các nhà vật lý cho rằng điều này sẽ rất cần thiết để khiến máy tính lượng tử có thể hoạt động ở quy mô lớn.

Aaronson cho rằng, thí nghiệm của Google để chứng minh vượt trội lượng tử có thể có các ứng dụng thực tế. Ông đã tạo ra một giao thức sử dụng tính toán như vậy để chứng minh rằng các bit được tạo bởi trình tạo số ngẫu nhiên lượng tử thực sự là ngẫu nhiên. Điều này có thể hữu ích như trong mật mã học và một số loại tiền điện tử bảo mật dựa trên các khóa ngẫu nhiên.

Các chuyên gia của Google đang phải thực hiện một loạt các cải tiến đối với phần cứng để thực thi 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 cho biết rằng, đây thực sự là nền tảng để Google mở rộng quy mô trong tương lai, kiến trúc cơ bản này mở ra con đường cho những nghiên cứu phía trước.