Đây là cách các nhà nghiên cứu Trung Quốc dùng laser tạo ra máy tính lượng tử quang học giải “bài toán 2,6 tỷ năm” trong 4 phút

Trong ngành máy tính lượng tử, tia laser là một trong những “công cụ dẫn đường” hiệu quả nhất: nhiều chuyên gia nhận định nó sẽ đưa máy tính lượng tử lên tầm cao mới. Nhà báo, nhà vật lý học, cộng tác viên của ArsTechnica, anh Chris Lee nhận định rằng cấu trúc máy tính lượng tử sử dụng tia laser hiện tại có thể so sánh được với những cú nhảy vọt mà hai hệ thống máy tính là Colossus và ENIAC làm được xưa kia: chúng đều là đột phá, nhưng không thứ nào là tạo tác sinh ra cho muôn đời sau cả. Bạn cứ thử nhìn kích cỡ của Colossus và ENIAC thì biết.

Máy tính Colossus.

Máy tính ENIAC.

Mới đây, nghiên cứu chứng minh ưu thế lượng tử của các nhà khoa học Trung Quốc đã ít nhiều hậu thuẫn quan điểm của Chris Lee. Bằng một hệ thống quang học lượng tử, nhóm nghiên cứu tới từ Trung Hoa đã giải thành công một vấn đề toán học cực khó. Đột phá chưa lớn về nhiều mặt, nhưng cũng đã đủ lớn để ngành máy tính lượng tử phải để mắt tới.

Mỗi photon lại mang trong mình tỷ lệ sấp ngửa của đồng xu

Các nhà nghiên cứu chứng minh được tính khả thi của hệ thống lấy mẫu Gaussian boson. Về cơ bản, đây là thiết bị sinh ra chỉ để giải một loại vấn đề duy nhất, được phát triển dựa trên thiết bị có tên “tấm phân tia”. Đây là cách nó hoạt động.

Nếu như bạn hướng nguồn sáng vào một tấm gương có 50% khả năng phản chiếu - một thiết bị phân tia, thì nửa số ánh sáng sẽ lọt qua và một nửa sẽ bị phản lại. Nếu cường độ ánh sáng đủ thấp, đến mức nguồn sáng chỉ bao gồm một photon duy nhất, thì khả năng photon lọt qua hoặc bị phản lại sẽ là 50/50. Đây là ý tưởng sản sinh ra thiết bị phân tia: một tấm gương có thể nhận vào một dòng hạt photon từ một tia laser và chia thành hai tia bắn về hai hướng khác nhau.

Một tấm phân tia được đặt nghiêng ở góc 45 độ có thể trở thành một thiết bị với 4 cổng. Trong tấm ảnh dưới, bạn có thể thấy nếu hai photon đi vào một tấm phân tia theo hai cổng khác nhau, kết quả KHÔNG HOÀN TOÀN ngẫu nhiên, bởi lẽ chúng sẽ cùng thoát ra tại một cổng dù rằng ta không rõ đó sẽ là cổng nào.

Kết hợp hai ý tưởng trên với khái niệm rối lượng tử, ta sẽ có một loại máy tính lượng tử có tên “máy tính lượng tử quang học tuyến tính”. Về cơ bản, đây sẽ là một mạng lưới của những tấm phân tia. Photon có thể giải các vấn đề toán học dựa trên cách thức chúng dàn trải trên toàn mạng lưới, và kết quả sẽ được xác định dựa trên việc chúng thoát ra ở cổng nào.

Trong hệ thống máy tính lượng tử này, trạng thái rối sẽ được thể hiện dưới dạng “đường đi của hạt photon”. Trước thời điểm ta tiến hành đo đạc và xác định được đường đi này, ta không biết rõ chi tiết lộ trình di chuyển của photon ra sao, và phải giả định rằng tất cả các photon đều có thể di chuyển theo mọi đường có thể. 

Nếu hai photon cùng tới một tấm phân tia ở cùng một thời điểm theo những cổng khác nhau, chúng sẽ rối lượng tử với nhau. Với một mạng lưới sở hữu đủ nhiều các tấm phân tia, việc rối này sẽ xảy ra nhiều lần và tạo ra một loạt những trạng thái rối.

Thử tung một photon xem sấp ngửa xem sao

Số lượng trạng thái photon đầu ra tăng chóng mặt khi mà số photon đầu vào và số tấm phân tia tăng lên. Trong thử nghiệm hiện tại, các nhà nghiên cứu sử dụng 50 photon đầu vào cùng một con chip với công suất tương đương 300 tấm phân tia. Tổng số lượng trạng thái đầu ra khả thi là 10^30; khả năng tính toán này đã mang về cho thiết bị của người Trung Quốc ưu thế lượng tử.

Photon đi vào mạng lưới các tấm phân tia và thoát ra dưới một trong bất kỳ trạng thái khả thi nào. Chưa đầy 4 phút, các nhà nghiên cứu đã có được kết quả của phép tính, một vấn đề toán học mà máy tính cổ điển phải mất 2,6 tỷ năm mới tính xong.

Thiết bị máy tính lượng tử Jiuzhang của Trung Quốc.

Sau khi có được kết quả này, nhóm nghiên cứu thực hiện một loạt bài thử để chắc chắn rằng cách thức vận hành của hệ thống đủ tiêu chuẩn để trở thành một máy tính lượng tử. Hiển nhiên, việc tính ra được một kết quả đầu ra hoàn chỉnh là bất khả thi, nhưng ta vẫn có thể tính được kết quả có thể có khi biết giá trị đầu vào, rồi lấy kết quả đó so sánh với kết quả mà máy tính cho ra.

Trong lần so sánh đầu tiên, kết quả khớp với dự đoán. Trong lần so sánh thứ hai, kết quả lại lệch với dự kiến. Đây chính là cơ sở vững chắc để đưa kết luận: đây là ảnh hưởng của yếu tố lượng tử.

Kết quả này vừa hữu dụng, lại vừa … vô dụng

Xét trên nhiều khía cạnh, đây là kết quả tuyệt vời. Khó có ai đủ chuyên môn để dễ dàng bác bỏ thành tựu của các nhà khoa học Trung Quốc. Một tia laser tạo ra 25 tia photon có cường độ như nhau, mà mỗi tia lại được đặt sao cho thẳng hàng với hai tinh thể để tạo ra những photon đơn lẻ. Đường truyền tia sáng này lại được đặt cẩn thận để nối liền với đường cáp quang, với đầu ra được cắm cẩn thận vào con chip chứa hàng trăm tấm phân tia. Các đầu ra của từng tấm phân tia lại phải nằm đúng vị trí để hệ thống phát hiện photon có thể đọc được tín hiệu.

Theo nhận định của Chris Lee, cỗ máy này sẽ chiếm diện tích khoảng 1,5m x 2,5m, với độ sai lệch dưới 10 nanomet. Một hệ thống chính xác vô cùng.

Tấm phân tia sẽ biến nột tia vào thành hai tia đi ra

Nhưng mặt khác, anh Lee cho rằng thử nghiệm này không khác gì với những thử nghiệm chứng tỏ khả năng máy tính lượng tử khác: sử dụng hệ thống để giải một vấn đề toán học (nhìn chung là vô dụng trong thế giới thực) vốn phù hợp để xử lý bằng cấu trúc máy tính lượng tử đang được thử nghiệm.

Công dụng của một chiếc máy tính là giải nhiều vấn đề, trong khi đó hệ thống trên chưa chứng minh được gì nhiều khi chỉ giải được vấn đề dành riêng cho nó. Có thể tự tin khẳng định đột phá lượng tử sẽ tới trong tương lai, nhưng có vẻ chưa thể nói rằng nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã đưa ngành nghiên cứu lượng tử lên tầm cao mới.

Khai “sáng”?

Dù rằng công trình nghiên cứu này không đột phá đến thế, nhưng máy tính lượng tử quang học vẫn là khía cạnh đầy tiềm năng.

Thời điểm hiện tại, máy tính lượng tử giải được vấn đề toán học có hai loại. 

Chip lượng tử Sycamore của Google.

Một là hệ thống bao gồm một chuỗi ion (chính là cách hạt nguyên tử không còn electron) nằm thẳng hàng như một chuỗi ngọc trai. Các ion cách nhau đủ xa để trở nên tách biệt, tức là ta có thể đưa thông tin (các qubit) vào trong chúng và đọc dữ liệu như những nguyên tử đơn lẻ. Sử dụng vi sóng và dựa trên chuyển động của ion, ta có thể tiến hành hoạt động tính toán. Mức độ đáng tin của từng bit rất cao, nhưng hoạt động tính toán những vấn đề phức tạp không mấy dễ dàng.

Hệ thống thứ hai là những vòng vật liệu siêu dẫn được làm lạnh bằng heli lỏng. Mỗi một vòng tương ứng với một qubit, được xác định và kết đôi với nhau bằng dây dẫn. Lợi thế của hệ thống máy tính lượng tử này là tăng quy mô lên dễ dàng - về cơ bản, cấu trúc của nó cũng giống bảng mạch in. Thế nhưng hành vi lượng tử của mỗi qubit lại thiếu tính ổn định, nên không phải lúc nào hệ thống cũng vẫn hành được. Vì độ tin cậy không cao, việc giải một vấn đề sẽ bao gồm hoạt động đo đạc liên tục để tìm ra đáp án chung nhất.

Chưa hệ thống nào cho chúng ta yên tâm về tương lai máy tính lượng tử.

Không giống với những cách thức trên, một máy tính lượng tử quang học có thể tồn tại dưới dạng một thiết bị quy mô chip điện tử, có nguồn năng lượng là một hàng các đi-ốt chiếu tia laser, việc đọc kết quả đầu ra sẽ do những thiết bị phát hiện photon đơn lẻ thực hiện. Máy tính lượng tử quang học không cần nhiệt độ cực thấp hay môi trường chân không để vận hành (tuy nhiên, nếu cần thiết bị đếm photon, ta sẽ cần dung dịch nitro để làm lạnh hệ thống). 

Theo báo cáo khoa học, máy tính lượng tử quang học cần nhiệt độ ổn định và một hệ thống phản hồi phức tạp để vận hành, đảm bảo tia laser làm tròn bổn phận. Tuy lằng nhằng là vậy, kích cỡ khiêm tốn của máy lại cho phép ta có một hệ thống quan học vừa vặn và dễ vận hành.

Cũng chưa thể khẳng định ánh sáng, hay cụ thể hơn là hạt photon sẽ đạt ưu thế lượng tử trước. Suy cho cùng, germanium có tính bán dẫn tốt hơn silicon, nhưng bạn vẫn biết thứ chất nào mới đang thống trị cái thung lũng công nghệ.