Lần đầu tiên chứng minh được máy tính lượng tử thực sự mạnh hơn máy tính cổ điển

Lần đầu tiên trong lịch sử, một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã chứng minh được rằng máy tính lượng tử có sức mạnh tính toán vượt trên máy tính thông thường.

Trong bản báo cáo khoa học được đăng tải trên Science tuần vừa rồi, các nhà khoa học đã mô tả chi tiết cách họ thiết kế thành công một mạch điện lượng tử có thể giải một bài toán mà máy tính cổ điển không làm nổi.

"Dự án của chúng tôi cho thấy mạch điện lượng tử có sức tính toán mạnh mẽ hơn mạch cổ điển có cùng cấu trúc", nhà lý luận Robert König công tác tại Đại học Kỹ thuật Munich và cũng là tác giả chính của nghiên cứu trên, nói với Motherboard. "Chúng tôi không khẳng định rằng bài toán trên không thể giải được theo cách cổ điển. Hoàn toàn giải được, có điều cần nhiều tài nguyên hơn thôi".

Đội ngũ có thể đạt được lợi thế lượng tử là nhờ "nonlocality" (khía cạnh nổi bật nhất có trong hệ thống lượng tử cô lập không gian). Nhờ tính riêng biệt (cô lập), có thể coi nó là một hệ thống máy tính duy nhất. Thay đổi trong hệ thống này sẽ khiến hệ thống khác cũng thay đổi theo, giống cách hai hạt kết nối với nhau bằng rối lượng tử. Nonlocality và rối lượng tử là hai khái niệm chính, được nghiên cứu nhiều nhất trong khoa học thông tin lượng tử. Phải có rối lượng tử mới có thể có được nonlocality, nhưng chưa rõ mối quan hệ giữa hai thứ này ra sao.

Trong máy tính lượng tử, ta có qubit là đơn vị tính, khác với bit trong máy tính cổ điển. Không chỉ tồn tại ở hai giá trị 0 và 1, qubit có thể tồn tại ở trạng thái chồng – superposition, tồn tại ở cả hai giá trị 0 và 1 cùng một lúc. Trên lý thuyết, điều này khiến sức mạnh tính toán của máy tính lượng tử vượt trội.

Khi thiết kế mạch lượng tử, các nhà nghiên cứu phải tính toán cân bằng giữa lượng qubit tương tác với nhau trong mạch và khối lượng công việc thực hiện được trên mạch đó – hay còn gọi là "chiều sâu – depth" của mạch. Tăng số lượng qubit – mạch càng sâu thì khả năng xử lý thông tin của mạch sẽ càng cao.

Nhưng khi tăng một thứ, thứ còn lại sẽ phải giảm. Một mạch có lượng qubit lớn sẽ thực hiện được ít tác vụ hơn (do mạch này "nông" hơn bình thường). Điều này khiến cho máy tính cổ điển vẫn là kẻ chiếm ưu thế trong cuộc đua giữa hai cỗ máy tính.

Một mạch lượng tử không đi kèm khả năng sửa lỗi sẽ thực hiện được rất ít tác vụ, dần dần mọi thông tin có được, được lưu sẽ biến mất. Càng thêm nhiều qubit, dung lượng càng lớn thì lỗi sẽ càng xảy ra nhiều, mà khi lỗi thì máy tính lượng tử không còn thực hiện được nhiều tác vụ nữa.

Trong trường hợp nghiên cứu đột phá đã nêu ở trên, König và cộng sử thiết kế một mạch lượng tử lớn gồm nhiều mạch nông chạy song song, nhưng vẫn có thể coi là một hệ thống lớn nhờ tính nonlocality của lượng tử. Những mạch nông có thể xử lý vấn đề số học sau khi chạy một loạt các tác vụ để giải toán. Chúng có một độ sâu nhất ổn định, một cái máy tính cổ điện với độ sâu ổn định không thể giải được vấn đề toán học vừa nêu.

Máy tính lượng tử có quy mô lớn có thể vượt mặt ngay cả những hệ thống siêu máy tính mạnh nhất thế giới, chính rối lượng tử và nonlocality sẽ cho chúng hai bước đà để chạy trước bất kì siêu máy tính nào.

Trên lý thuyết, những lợi thế này sẽ cho phép máy tính lượng tử tính toán nhanh hơn. Nó sẽ giải mã hóa với tốc độ kinh hoàng, bỏ xa máy tính cổ điển.

Một trong những trở ngại lớn của ngành là tìm ra được dấu mốc khẳng định máy tính lượng tử vượt trội máy tính cổ điển. Có những thuật toán nhất định khiến cho máy tính lượng tử mạnh hơn nhiều lần, nhưng không có nghĩa rằng máy tính cổ điển không làm được điều đó với sức mạnh hiện tại. Cũng có thể rằng ta chưa tìm ra được đúng cách thức, đúng thuật toán để mở khóa sức mạnh (vô tận?) của máy tính lượng tử.

Đây là lúc thuyết phức tạp tỏa sáng, đây cũng là ngành nghiên cứu của Robert König. Họ tập trung tìm hiểu giới hạn giữa máy tính cổ điển và máy tính lượng tử. Họ đưa ra nhiều ước đoán nhưng chưa lần nào chứng minh được. Lần này, họ đã làm được.

König và cộng sử coi công trình nghiên cứu của mình là nền móng toán học cho những ứng dụng lượng tử trong tương lai. Khác với những thuật toán lượng tử phức tạp vô cùng, chỉ có thể áp dụng vào các hệ thống máy tính lượng tử khổng lồ, những mạch lượng tử nông này có thể hoạt động như cách máy tính lượng tử thử nghiệm, làm bước đệm cho những hệ thống lớn hơn.

"Dự án của chúng tôi là bằng chứng cho thấy máy tính lượng tử có khả năng giải quyết tốt hơn máy tính cổ điển, ở những bài toán cụ thể. Biết vậy thôi nhưng khi áp dụng thực tế, chúng tôi muốn hệ thống máy tính lượng tử của mình giải những vấn đề không quá phức tạp, xuất hiện tại những lĩnh vực khoa học khác."