'Uy quyền lượng tử' thực sự là gì?

Uy quyền lượng tử là gì?

Thuật ngữ " Uy quyền lượng tử " (quantum supremacy) được John Preskill, giáo sư vật lý lý thuyết tại Viện Công nghệ California, giới thiệu vào năm 2012. Nó đề cập đến khả năng của máy tính lượng tử trong việc giải quyết các vấn đề mà máy tính cổ điển không thể thực hiện trong một khoảng thời gian hợp lý. Đây được xem như cột mốc quan trọng trong sự phát triển của công nghệ lượng tử.

Tuy nhiên, đạt được Uy quyền lượng tử không đồng nghĩa với việc máy tính lượng tử sẽ trở nên hữu ích ngay lập tức. Thực tế, các thí nghiệm đạt mốc này thường tập trung vào các vấn đề nhân tạo, không có ứng dụng thực tiễn rõ ràng.

Những bước tiến đang chú ý

Năm 2019, Google tuyên bố đã đạt được Uy quyền lượng tử với bộ xử lý lượng tử 54 qubit mang tên Sycamore. Trong thí nghiệm, Sycamore thực hiện một loạt các phép toán ngẫu nhiên mà Google ước tính cần 10.000 năm để mô phỏng trên siêu máy tính mạnh nhất thời điểm đó. Thành tựu này được đăng tải trên tạp chí Nature và thu hút sự quan tâm lớn từ giới khoa học.

Tuy nhiên, chỉ vài năm sau, tuyên bố của Google lại bị thách thức bởi các nhà nghiên cứu tại Trung Quốc, khi họ phát triển thuật toán mô phỏng các phép toán này trên siêu máy tính chỉ trong vài giờ. Đây không phải là lần đầu tiên các thí nghiệm đạt Uy quyền lượng tử bị đặt dấu hỏi, bởi các nhà khoa học liên tục tìm ra cách khai thác hiệu ứng nhiễu hoặc tiếng ồn trong hệ thống để mô phỏng lại kết quả.

Gần đây hơn, Google công bố thí nghiệm với bộ xử lý 70 qubit, trong khi công ty Quantinuum cho rằng máy tính lượng tử 56 qubit của họ cũng đã vượt qua cột mốc này vào năm 2024. Tuy vậy, nhiều chuyên gia như William Fefferman, trợ lý giáo sư tại Đại học Chicago, vẫn hoài nghi về tính bền vững của những thành tựu này.

Tại sao máy tính lượng tử lại đặc biệt

Điểm khác biệt cốt lõi giữa máy tính lượng tử và máy tính cổ điển nằm ở qubit - đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử. Trong khi bit cổ điển chỉ có thể đại diện cho trạng thái 0 hoặc 1, qubit có khả năng biểu diễn một hỗn hợp của cả hai trạng thái nhờ hiệu ứng chồng chất.

Ngoài ra, các qubit có thể liên kết với nhau thông qua hiện tượng vướng víu lượng tử, tạo ra một hệ thống tính toán mạnh mẽ hơn nhiều so với khả năng của bit cổ điển. Điều này dẫn đến việc máy tính lượng tử có thể xử lý đồng thời nhiều tổ hợp dữ liệu, giúp tăng tốc độ tính toán một cách đáng kể.

Tuy nhiên, để tận dụng hết tiềm năng của qubit, cần một số lượng lớn qubit hoạt động ổn định. Hiện nay, các máy tính lượng tử thương mại chỉ mới đạt ngưỡng vài trăm qubit, xa so với yêu cầu hàng triệu qubit để thực sự giải quyết các vấn đề phức tạp trong thế giới thực.

Những rào cản kỹ thuật

Mặc dù các thí nghiệm Uy quyền lượng tử là một cột mốc đáng tự hào, nhưng chúng không thể che giấu những hạn chế lớn về mặt kỹ thuật. Một trong những thách thức lớn nhất là tỷ lệ lỗi cao của phần cứng lượng tử.

Để khắc phục, các nhà khoa học đang phát triển các mã sửa lỗi lượng tử. Theo Simon Benjamin, giáo sư tại Đại học Oxford, việc tạo ra một qubit chịu lỗi duy nhất có thể cần đến 1.000 qubit vật lý. Điều này đẩy yêu cầu về quy mô máy tính lượng tử vượt xa khả năng hiện tại.

Thêm vào đó, máy tính lượng tử ngày nay vẫn dễ bị nhiễu từ môi trường xung quanh. Chính những yếu tố này đã tạo cơ hội cho các thuật toán cổ điển khai thác để mô phỏng lại các kết quả đạt được, làm giảm giá trị của Uy quyền lượng tử .

Từ Uy quyền lượng tử đến tiện ích lượng tử

Vì những hạn chế trên, các nhà nghiên cứu đang dần chuyển hướng sang một mục tiêu thực tiễn hơn: tiện ích lượng tử (quantum utility). Đây là khả năng chứng minh rằng máy tính lượng tử có thể giải quyết các vấn đề thực tế nhanh hơn đáng kể so với máy tính cổ điển.

Theo IBM, ngay cả các máy tính lượng tử dễ bị lỗi ngày nay cũng có thể đạt được tiện ích lượng tử trong một số ứng dụng cụ thể, chẳng hạn như tối ưu hóa chuỗi cung ứng, mô phỏng hóa học lượng tử, hoặc phân tích dữ liệu tài chính.

Google cũng đã đạt được một bước tiến quan trọng trong việc cải thiện độ chính xác của máy tính lượng tử. Bộ xử lý "Willow" mới nhất của hãng cho thấy khả năng giảm lỗi theo cấp số nhân khi tăng số lượng qubit vật lý. Điều này mở ra con đường hướng tới điện toán lượng tử không có lỗi - yếu tố then chốt để đạt được tiện ích lượng tử trên quy mô lớn.

Tương lai của máy tính lượng tử

Mặc dù Uy quyền lượng tử là một cột mốc quan trọng, nhưng nhiều chuyên gia đồng tình rằng nó mang tính biểu tượng nhiều hơn là thực tiễn. Những vấn đề được giải quyết trong các thí nghiệm này thường không có giá trị ứng dụng rõ ràng trong thế giới thực.

Thay vào đó, cộng đồng nghiên cứu đang tập trung vào việc phát triển các máy tính lượng tử chịu lỗi, với kỳ vọng rằng chúng có thể xử lý các bài toán thực tế một cách hiệu quả. Tuy nhiên, theo Fefferman, việc đạt được mục tiêu này có thể mất từ 5 đến 10 năm, hoặc thậm chí lâu hơn.

Chúng ta đang ở đỉnh cao của Uy quyền lượng tử , nhưng đây chỉ là bước đầu tiên trên hành trình đầy thách thức của điện toán lượng tử. Những tiến bộ trong công nghệ phần cứng và thuật toán sẽ quyết định tốc độ chuyển đổi từ một cột mốc mang tính học thuật sang những ứng dụng thực tiễn trong cuộc sống.

Dù tương lai còn nhiều bất định, nhưng niềm tin vào tiềm năng của máy tính lượng tử vẫn là động lực chính thúc đẩy lĩnh vực này không ngừng tiến bước. Và một ngày không xa, chúng ta có thể chứng kiến những cỗ máy này thay đổi cách con người giải quyết các vấn đề lớn nhất của thời đại.