TiaSang
Thứ 7, Ngày 4 tháng 4 năm 2020
Đổi mới sáng tạo

Uy quyền lượng tử

02/10/2019 21:00 -

Sẽ còn một chặng đường dài đưa chúng ta đạt được “uy quyền lượng tử”, khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp trong thời gian ngắn hơn đáng kể của máy tính lượng tử với máy tính thông thường.

 

Bộ xử lý lượng tử của Google

Trong thực tế 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. Điển hình nhất là bài toán thừa số hóa một số nguyên N thành tích của hai số nguyên tố p và q, tức là cho biết N, phải tìm p và q sao cho pq = N. Đây là bài toán cơ bản trong mật mã học, đang được sử dụng để đảm bảo an ninh trong giao tiếp quốc tế. Tính bảo mật thông tin thể hiện ở chỗ giải bài toán này bằng các siêu máy tính hiện thời được coi là không thể khi N đủ lớn. Thí dụ, nếu N là một số có 193 chữ số thì các siêu máy tính phải mất khoảng 30 năm mới tính được p và q. Thời gian tính sẽ tăng rất nhanh khi số chữ số của N tăng lên. Nếu N là một số có 500 chữ số thì thời gian cần để tính 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 một phần mười giây cho trường hợp đầu và khoảng hai giây cho trường hợp sau! 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.

Google từ lâu đã mong muốn đạt được cái “uy quyền lượng tử” nói trên. Tại cuộc họp tháng 3 năm 2018 của Hội Vật lý Mỹ, Julian Kellyof thuộc Phòng thí ngiệm trí tuệ nhân tạo lượng tử của Google đã tiết lộ về bộ xử lý lượng tử lớn nhất từ trươc tới nay gồm 72 qubit (tức bit lượng tử). Con chip lượng tử này được kỳ vọng sẽ đạt tới giới hạn của uy quyền lượng tử.

John Martinis, một nhà vật lý tại Google và Đại học California Santa Barbara nói: “Theo những gì đã biết từ trước tới nay, chúng tôi rất lạc quan”. Nếu mọi việc suôn sẻ, Martinis tin rằng uy quyền lượng tử có thể được chứng tỏ trong vài tháng tới.

Trước đó IBM cũng đã bắt đầu thử nghiệm bộ xử lý lượng tử 50 qubit còn Intel thì thử nghiệm con chip 49 qubit. Nhưng với các thông báo thu hút sự chú ý kiểu như này, James Wootton từ Đại học Basel - cũng là một báo cáo viên tại cuộc họp của Hội Vật lý Mỹ - đã đưa ra một lưu ý thận trọng. Wootton đã tạo ra các trò chơi và các câu đố đơn giản và thử nghiệm chúng để đánh giá hiệu suất của các nguyên mẫu tính toán hiện tại. Ông thấy rằng vẫn còn một chặng đường dài để có thể đạt được uy quyền lượng tử.

Cách tiếp cận của Wootton bắt nguồn từ truyền thống lâu đời về việc sử dụng các trò chơi để kiểm tra phần cứng máy tính và để dạy các kỹ năng lập trình. Và vì các phần cứng cho máy tính lượng tử chỉ mới bắt đầu xuất hiện ở các phòng thí nghiệm đại học và các công ty thương mại, các nhà khoa học cũng cần học những kỹ năng mới về kỹ thuật phần mềm lượng tử - nói cách khác, phải học cách làm thế nào có thể sử dụng các quá trình lượng tử để thực hiện tính toán.

“Khi chúng ta bắt đầu lập trình bất kỳ loại hệ thống nào, trước tiên phải thử một thứ gì đó thực sự đơn giản”, Wootton nói, “tốt nhất là bắt đầu từ các trò chơi”. Lúc đầu Wootton tạo ra phiên bản của một trò chơi đơn giản và sử dụng nó để hướng dẫn các nhà khoa học bắt đầu lập trình máy tính lượng tử. Sau đó, ông chuyển sang một trò chơi khác, kiểm tra hiệu năng của bộ xử lý lượng tử với một loạt các câu đố ngày càng khó hơn. Kết quả cho ông thấy rằng nhiễu (noise) vẫn là một yếu tố chính làm hạn chế hiệu năng của các thế hệ nguyên mẫu hiện tại, thường dung từ 16 đến 19 qubit. Theo ông: “Dựa trên các thử nghiệm với các thiết bị của IBM và Rigetti, thậm chí các thiết bị với 50 qubit vẫn chưa đủ sạch để đạt được uy quyền lượng tử. Kích thước và kết nối của thiết bị quyết định độ phức tạp của thiết bị, còn mức độ nhiễu quyết định chất lượng của thiết bị chơi trò chơi.”

Câu hỏi tối thượng: Uy quyền lượng tử đã đạt được chưa?

Mới đây nhất, theo tin trong ngày 24/9/2019 của Physicsworld, Google đã thông báo là uy quyền lượng tử lần đầu tiên đã đạt được. Việc đạt được mục tiêu lâu nay mong đợi này trong vật lý và khoa học máy tính được trình bày trong một bài dự thảo được viết bởi các nhà khoa học của Google, cộng tác với Phòng thí nghiệm trí tuệ nhân tạo lượng tử, bao gồm cả các nhà nghiên cứu của NASA. Thông tin này xuất hiện ngắn gọn trên một trang web của NASA trước khi nó được gỡ xuống. Nó được cho là phiên bản sớm của một bài báo đã được gửi đến một tạp chí khoa học hàng đầu 1.

Bài báo mô tả cách mà một máy tính lượng tử 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. Các tác giả nói rằng một siêu máy tính tiên tiến sẽ phải mất khoảng 10 nghìn năm để tính phân bố xác suất tương tự.

Mặc dù vấn đề được giải quyết bằng máy tính lượng tử như này không đặc biệt hữu ích cho bất kỳ ứng dụng thực tế nào, 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. Họ cho biết thêm: “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”.

Nếu đây thực sự là minh chứng đầu tiên về uy quyền lượng tử, thì điều đó không có nghĩa là máy tính lượng tử thực thụ sẽ sớm xuất hiện. Ashley Montanaro thuộc Đại học Bristol giải thích: “Vẫn còn một chặng đường dài giữa một minh chứng trong phòng thí nghiệm về uy quyền lượng tử và những ứng dụng thực thụ của tính toán lượng tử trên thực tế, nhưng theo quan điểm của tôi, việc đạt được cột mốc này là một khoảnh khắc thực sự đáng khích lệ”.

Nguyễn Bá Ân tổng hợp

Nguồn: https://physicsworld.com/a/google-reports-quantum-supremacy-in-draft-paper/  và

https://physicsworld.com/a/google-aims-for-quantum-supremacy/ 

---

1. https://www.docdroid.net/h9oBikj/quantum-supremacy-using-a-programmable-superconducting-processor.pdf )

Tags: