Máy tính lượng tử đã phát triển đến mức nào?

Máy tính lượng tử hứa hẹn sẽ tạo nên một cuộc cách mạng trong thế giới kỹ thuật số. Tuy nhiên, con người sẽ khai thác năng lượng từ cơ học lượng tử như thế nào? Đó còn là câu hỏi không chỉ dành cho các bạn mà còn là mối quan tâm của các nhà nghiên cứu và hãng sản xuất máy tính. Vật thật sự thì máy tính lượng tử là gì và công nghệ này đã phát triển tới đâu? Bài viết này sẽ chia sẻ với các bạn một số thông tin nhằm trả lời cho các thắc mắc nói trên.

Điện toán lượng tử là gì?

Các hệ vật thể lượng tử có thể tồn tại tại nhiều trạng thái khác nhau cùng một lúc và được gọi là trạng thái chồng chập lẫn nhau. Ý tưởng máy tính lượng tử được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1980 bởi nhà toán học người Đức gốc Nga Yuri Manin bằng cách sử dụng các hiệu ứng chồng chập và vướng víu lượng tử để thực hiện các tính toán trên dữ liệu đưa vào.

Khác với máy tính kỹ thuật số dựa trên tranzitor đòi hỏi cần phải mã hóa dữ liệu thành các chữ số nhị phân, mỗi số được gán cho 1 trong 2 trạng thái nhất định là 0 hoặc 1, tính toán lượng tử sử dụng các bit lượng tử ở trong trạng thái chồng chập để tính toán. Điều này có nghĩa là 1 bit lượng tử (đơn vị cơ bản của thông tin trong điện toán, viết tắt là qubit) có thể có giá trị 0 và 1 ở cùng 1 thời điểm.

Việc đánh giá giá trị của qubit được thể hiện qua thí nghiệm đồng xu của David Deutsch và Richard Jozsa, hai nhà tiên phong trong lĩnh vực tính toán lượng tử. Thông thường, để xem hai mặt của một đồng xu ta phải lật nó lại. Như vậy là mất hai bước. Trong khi đó, Deutsch và Jozsa dùng tính toán lượng tử để cùng lúc xem cả hai mặt của một đồng xu (giả tưởng) sau khi nó được tung lên. Một qubit sẽ là sự kết hợp bình quân giữa mặt sấp và mặt ngửa.

Về mặt lý thuyết, một máy tính có nhiều qubit có khả năng xử lý một lượng tác vụ vô cùng lớn như tính toán số học hoặc thực hiện tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu cực lớn trong thời gian nhanh hơn nhiều so với các máy tính thông thường. Một máy tính lượng tử còn có thể giải quyết cực nhanh những vấn đề phức tạp mà các siêu máy tính hiện nay dù mất hàng triệu năm vẫn không tìm ra được lời giải đáp.

Thậm chí, một máy tính lượng tử có khả năng giải được các vấn đề phức tạp nhanh hơn so với máy tính cổ điển sử dụng thuật toán tốt nhất hiện nay, điển hình như thuật toán Shor để phân tích số tự nhiên thành số nguyên tố hoặc thuật toán Simon.

Đã có ai chế tạo ra máy tính lượng tử hay chưa?

Trên thực tế, nhiều phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đã chế tạo ra các thiết bị có khả năng thực hiện các phép tính lượng tử trên một số nhỏ qubit. Tuy nhiên, thậm chí các nhà nghiên cứu đã mất một thời gian dài mà vẫn chưa tạo ra được các thiết bị mạnh tương đương máy tính bỏ túi. Thành công ấn tượng nhất là phân tích số 21 ra thành 2 thừa số là 7 và 3.

Và rồi vào năm 2007, công ty D-Wave tại Canada đã công bố chiếc máy tính lượng tử đầu tiên có khả năng thương mại hóa đầu tiên mang tên D-Wave One. Theo mô tả từ D-Wave thì đây là cỗ máy tính lượng tử sử dụng tiến trình "phép tôi luyện lượng tử" với hệ thống 128 qubits. Số qubit này phân thành 16 ngăn, mỗi ngăn 8 qbits và được tạo ra bởi các vòng siêu dẫn.

Tiếp theo, D-Wave cho ra đời phiên bản thứ 2 của máy tính lượng tử mang tên D-Wave 2. Đó là một chiếc hộp đen cao 3 mét, bên trong chứa con chip máy tính niobium được làm lạnh ở -273 độ C. Theo lý thuyết, D-Wave có khả năng giải quyết được những vấn đề mà các siêu máy tính phải mất vài thế kỷ mới làm được trên nhiều lĩnh vực, từ mật mã tới công nghệ nano, từ dược phẩm tới trí thông minh nhân tạo.

D-Wave có rất ít các khách hàng do tính rủi ro của dự án và cái giá quá đắt: từ 10 đến 15 triệu đô la. Chủ yếu chỉ có những tổ chức chính phủ, quốc phòng,... nhằm tiến hành thực nghiệm lẫn nghiên cứu lý thuyết. Theo báo cáo thì gần đây Google cũng đã bắt tay với NASA nhằm thực hiện nghiên cứu điện toán lượng tử bằng cỗ máy D-Wave.

Vậy D-Wave đã được sử dụng như thế nào?

Hãng D-Wave mô tả đó là một cỗ máy hoạt động theo phương pháp lượng tử và có thể thực hiện tính toán. Dù vậy, các nhà nghiên cứu trên thế giới vẫn chưa tìm ra cách vận dụng cỗ máy D-Wave vào công tác thực tiễn nghiên cứu. Nhà khoa học Matthias Troyer tại Viện khoa học công nghệ Zurich, Thụy Sĩ cho biết: "Không ai biết D-Wave có thật sự là máy tính lượng tử? Đây thật sự là một dự án đầy rủi ro và có tính lý thuyết hơn là thực tế. Nếu có ai đó đưa ra một minh chứng rõ ràng, đó thật sự là một bước đột phá tuyệt vời".

Từ hồi đầu năm nay, Troyer đã dẫn đầu một nhóm nghiên cứu nhằm kiểm chứng cỗ máy D-Wave 2 tại tập đoàn công nghệ Google. Và kết quả cuối cùng khá đáng thất vọng là không hề có sự tăng tốc lượng tử diễn ra bên trong D-Wave 2. Bên cạnh đó, chưa có ai có thể sử dụng D-Wave để thực hiện tính toán cụ thể như các máy tính cổ điển. Để thực hiện điều này cần phải phát triển một thuật toán lượng tử đặc biệt với cấu trúc hoàn toàn khác so với phần mềm máy tính thông thường. Bên cạnh đó, các bài kiểm tra vẫn chưa chứng minh được ưu thế vượt trội của việc tăng tốc lượng tử so với các máy tính thông thường.

Do đó, cho tới hiện tại, cỗ máy trên chỉ phục vụ cho công tác nghiên cứu nhằm tiếp tục phát triển lý thuyết hơn là được sử dụng thực tiễn. Chưa có ai biết được thuyết tăng tốc lượng tử sẽ được dịch sang các hành động trong thế giới thực bằng cách nào. Hiện tại, cả phương diện thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết đều đã và đang được triển khai thực hiện bởi các tổ chức có sở hữu máy tính lượng tử.

Các nhà nghiên cứu đã kiểm chứng máy tính D-Wave như thế nào?

Các bài kiểm tra được đặt ra dựa trên ưu thế của máy tính lượng tử so với máy tính thông thường. Điển hình như là vấn đề phân tích độ cao thấp của cảnh quan có nhiều đồi núi. Theo cách phân tích của máy tính thông thường sẽ kiểm tra toàn bộ các ngọn núi, sau đó so sánh và chọn ra ngọn núi thấp nhất. Quá trình này sẽ mất thời gian khá lâu. Trong khi đó, máy tính lượng tử chọn một cách rất riêng được ví như là "tạo một đường hầm" nhằm tìm ra được ngọn núi thấp nhất và dĩ nhiên, quá trình thực hiện vô cùng nhanh chóng.

Tuy nhiên, vấn đề ở đây là các thử nghiệm chưa đủ khó khăn để so sánh ưu thế vượt trội của máy tính lượng tử so với máy tính thông thường. Điều này đã tạo nên sự nghi ngờ rằng hoặc D-Wave chưa đủ điều kiện để trở thành máy tính lượng tử, hoặc con người chưa tạo ra được các bài kiểm tra nhằm "ép" D-Wave hoạt động hết công suất.

Vadim Smelyanskiy, nhà khoa học tại phòng thí nghiệm điện toán lượng tử và trí tuệ nhân tạo của NASA cho biết: "Cỗ máy D-Wave vẫn chỉ là sử dụng nguồn lực truyền thống thay vì ứng dụng cơ học lượng tử để thực hiện tính toán". Từ trước đến nay, NASA đã hợp tác với Google nhằm thực hiện nghiên cứu ngay trên cỗ máy D-Wave. Phía hãng D-Wave tuyên bố rằng các thử nghiệm được đưa ra vẫn còn quá dễ dàng đối với cỗ máy của họ và cần phải có một bài kiểm tra nào đủ độ khó mới có thể chứng minh được sức mạnh của nó.

Vậy đã có giải pháp nào cho cuộc tranh cãi trên?

Cho tới hiện tại, Smelyanskiy là nhà nghiên cứu cho dự án hợp tác nghiên cứu điện toán lượng tử do NASA và Google hợp tác thực hiện. Smelyanskiy cho biết rằng dự án vẫn chưa đạt được thành tựu đột phá và vẫn cần ít nhất là từ 15 đến 25 năm nữa để chứng minh cỗ máy trên thật sự "lượng tử". Ông chia sẻ rằng việc so sánh cũng tương tự như đi tìm sự khác nhau của máy tính cơ học do Charles Babbage chế tạo hồi thế kỷ 19 so với các máy tính mạnh mẽ ngày nay vậy.

Nói một cách đơn giản là phải thử sử dụng một thứ gì đó đòi hỏi sức mạnh xử lý vô cùng lớn và thực hiện trên cả 2 cỗ máy nhằm phân định khả năng của chúng. Tại thời điểm hiện tại, D-Wave vẫn là một cỗ máy mà chúng ta chưa biết được hết khả năng của nó. Nếu làm sáng tỏ được vấn đề này sẽ tạo ra được một kết quả hết sức ấn tượng. Đây có thể coi như một cuộc cách mạng thay đổi nền văn minh kỹ thuật số của nhân loại.

Vậy khi nào thì chúng ta mới có thể sở hữu máy tính lượng tử để phục vụ cho nhu cầu cá nhân?

Nhà nghiên cứu Smelyanskiy đã trả lời cho câu hỏi này rằng: "Cho dù máy tính lượng tử trong tương lai sẽ biến đổi như thế nào cũng đừng mong đợi sở hữu một sản phẩm cho riêng mình. Đây sẽ là một thiết bị chuyên dụng nhằm giải quyết các vấn đề vô cùng phức tạp và quan trọng của loài người hơn là thực hiện những việc giống như máy tính truyền thống, laptop hay iPhone. Máy tính lượng tử không phải là thứ đặt trên bàn làm việc ở mỗi gia đình trong tương lai".