D-Wave, một công ty điện toán lượng tử có lịch sử quanh co và đôi khi gây tranh cãi, vừa tuyên bố đã đạt được một cột mốc quan trọng có thể đưa công nghệ này lên một tầm cao mới. Trong một bài báo đăng trên tạp chí khoa học uy tín Science, công ty này tuyên bố đã đạt đến "quyền lực lượng tử" nổi tiếng, một điểm then chốt mà máy tính lượng tử có thể giải quyết các vấn đề phức tạp hiệu quả hơn máy tính truyền thống.
D-Wave là một trong những công ty tư nhân đầu tiên tham gia vào lĩnh vực lượng tử, hơn 25 năm trước. Kết quả công trình của ông từ lâu đã có nhiều ý kiến trái chiều. Nhưng vài năm trước, nó bắt đầu đi theo một con đường hoàn toàn khác so với hầu hết các ông lớn trong ngành.
Rõ ràng là cổng logic cổ điển và lượng tử không hoạt động theo cùng một cách. Nhưng về mặt chức năng, chúng có vai trò giống nhau. Trên lý thuyết, máy tính lượng tử dựa trên cổng có thể chạy bất kỳ thuật toán tính toán truyền thống nào—mặc dù điều này rõ ràng là lãng phí, vì toàn bộ mục đích của chúng nằm ở khả năng khai thác các thuật toán chuyên biệt như thuật toán của Shor hoặc Grover, khai thác sự chồng chập hoặc vướng víu lượng tử để đẩy nhanh quá trình tìm kiếm giải pháp.
Mặt khác, D-Wave đã chuyển hướng khỏi cách tiếp cận tương đối tổng quát này để chuyển sang ủ lượng tử, hay ủ lượng tử trong tiếng Pháp. Đây là cách làm việc hoàn toàn khác so với máy tính lượng tử do Google và các công ty khác phát triển.
Không giống như máy tính lượng tử có cổng, các QAC (viết tắt của Máy tính ủ lượng tử) như vậy không có khả năng diễn giải bất kỳ chuỗi hướng dẫn nào. Đây là những thiết bị có độ chuyên dụng cao có mục tiêu là tìm kiếm cấu hình năng lượng thấp nhất của một hệ thống, tương đương với việc tìm ra giải pháp tối ưu cho một vấn đề rất cụ thể. Đây là một bài tập cực kỳ khó và trong một số trường hợp là không thể thực hiện được bằng máy tính truyền thống.
Để minh họa, bạn có thể hình dung các giải pháp khác nhau cho một bài toán như một chuỗi núi và thung lũng, trong đó độ cao biểu thị mức năng lượng của hệ thống. Các điểm thấp nhất (gọi tắt là đáy thung lũng) tương ứng với năng lượng thấp nhất và do đó tương ứng với các giải pháp gần nhất với tính tối ưu.
Do đó, để tìm ra giải pháp tối ưu cho một bài toán, chỉ cần đi qua các thung lũng này cho đến khi đến điểm thấp nhất. Nhưng ngọn núi gần đó cũng có thể ẩn chứa một thung lũng sâu hơn, do đó đưa đến một giải pháp tối ưu hơn. Vấn đề là việc leo lên ngọn núi này để kiểm tra giả thuyết này đòi hỏi rất nhiều năng lượng, và do đó cũng cần rất nhiều sức mạnh tính toán trong bối cảnh này. Đối với những vấn đề phức tạp nhất, khi các đỉnh cực kỳ cao, máy tính thông thường không thể vượt qua được những rào cản năng lượng này. Do đó, họ thấy mình “mắc kẹt” ở một khu vực cục bộ mà không thể xác minh liệu họ có thực sự tìm ra giải pháp tối ưu nhất có thể hay không. Do đó, tốt nhất là chúng ta chỉ có thể hy vọng vào một giải pháp gần đúng tuyệt vời.
Để tìm ra giải pháp thực sự tối ưu, máy tính ủ lượng tử khai thác hiệu ứng đường hầm lượng tử. Đây là hiện tượng cho phép các hạt vượt qua rào cản năng lượng mà vật lý truyền thống không thể vượt qua. Hiệu ứng này đặc biệt được sử dụng trong kính hiển vi hiện đại, được gọi là kính hiển vi đường hầm.
Trong trường hợp máy tính ủ lượng tử của chúng tôi, hiệu ứng đường hầm giúp có thể đi trực tiếp qua các đỉnh này mà không cần phải tiêu tốn nhiều năng lượng để leo lên chúng, nhằm khám phá nhiều thung lũng cùng lúc. Do đó, chúng ta có được một giải pháp có nhiều khả năng thực sự tối ưu hơn so với máy tính lượng tử có cổng.
Thuật ngữ này dùng để chỉ một họ vật liệu từ tính trong đó spin (một đặc tính lượng tử của vật chất) của các nguyên tử được sắp xếp ngẫu nhiên. Điều này tạo ra tình huống mà một số vòng quay muốn thẳng hàng trong khi những vòng quay khác lại hoàn toàn muốn đối lập với nhau. Do đó, không có sự sắp xếp ổn định nào đáp ứng được kỳ vọng của tất cả các nguyên tử và chúng ta thu được một hệ thống tương đối hỗn loạn trong quá trình tiến hóa liên tục.
Theo truyền thống, việc mô phỏng hành vi của các thành phần này là vô cùng khó khăn. Trên thực tế, việc này khó đến mức một siêu máy tính sẽ phải mất thời gian gần như vô hạn để thực hiện mô hình như vậy. Thật không may, vì những vật liệu này có nhiều ứng dụng rất thú vị - đặc biệt là trong lĩnh vực bán dẫn.
Mặt khác, D-Wave tuyên bố rằng bộ xử lý ủ lượng tử siêu chuyên dụng của họ cho phép họ trực tiếp mô hình hóa hành vi của vật liệu, mà không bị giới hạn bởi các phép tính gần đúng vốn có trong các kỹ thuật truyền thống (xem ở trên)... chỉ trong vài phút. Do đó, bà tuyên bố "là người đầu tiên chứng minh được tính ưu việt của lượng tử trong một vấn đề thực tế cụ thể."
Ngay cả khi công nghệ của hai công ty về cơ bản khác nhau, điều quan trọng là tuyên bố này đã sụp đổ khá nhanh chóng. Trên thực tế, các nhà nghiên cứu khác cuối cùng đã tái tạo được những kết quả này mà không cần máy tính lượng tử, chỉ bằng cách tối ưu hóa các kỹ thuật tính toán thông thường. Hoàn toàn có khả năng công trình D-Wave này sẽ đi theo quỹ đạo tương tự trong vài năm tới.
Do đó, cho đến khi có bằng chứng chứng minh điều ngược lại, chúng ta có thể chính đáng coi rằng nghiên cứu D-Wave sẽ không dẫn đến một cuộc cách mạng ngay lập tức trong điện toán lượng tử. Dù công ty có nói gì đi nữa, có lẽ sẽ phải mất một thời gian nữa chúng ta mới đạt được ưu thế lượng tử thực sự, loại ưu thế cho phép chúng ta giải quyết vô số vấn đề thực tế mà máy tính hiện nay hoàn toàn không thể giải quyết được.
Nhưng điều đó không có nghĩa là chúng ta nên bỏ qua công trình này. Trước hết, đây là một thành công thực nghiệm lớn với những tác động rất cụ thể đến vật lý cơ bản và khoa học vật liệu.
Hơn nữa, nghiên cứu này cũng có giá trị thể hiện sự quan tâm đến việc khám phá các phương pháp tiếp cận khác, bên ngoài những gì các gã khổng lồ trong ngành đang làm. Trong trường hợp tốt nhất, cách tiếp cận này sẽ loại bỏ được tình trạng dây dẫn vô trùng. Và lý tưởng nhất là nó sẽ đưa chúng ta đến gần hơn với thời điểm công nghệ đáng gờm này thực sự phát triển mạnh mẽ và cách mạng hóa ngành điện toán như chúng ta biết ngày nay.
Hãy kiểm tra lại sau vài năm (hoặc có thể là vài thập kỷ nữa) để xem liệu bài báo này có đi vào lịch sử hay không, hay nó chỉ là một cột mốc khá bình thường trên con đường dài hướng tới sự thống trị lượng tử.
Văn bản của nghiên cứu có sẵn tại đây.
D-Wave là một trong những công ty tư nhân đầu tiên tham gia vào lĩnh vực lượng tử, hơn 25 năm trước. Kết quả công trình của ông từ lâu đã có nhiều ý kiến trái chiều. Nhưng vài năm trước, nó bắt đầu đi theo một con đường hoàn toàn khác so với hầu hết các ông lớn trong ngành.
Một cách tiếp cận khác đối với điện toán lượng tử
Máy tính lượng tử thông thường, chẳng hạn như máy tính do Google Quantum hoặc IBM phát triển, có chung một đặc điểm với PC thông thường: chúng dựa trên khái niệm về cổng logic, các khối xây dựng cơ bản của mạch logic cho phép thực hiện các hoạt động.Rõ ràng là cổng logic cổ điển và lượng tử không hoạt động theo cùng một cách. Nhưng về mặt chức năng, chúng có vai trò giống nhau. Trên lý thuyết, máy tính lượng tử dựa trên cổng có thể chạy bất kỳ thuật toán tính toán truyền thống nào—mặc dù điều này rõ ràng là lãng phí, vì toàn bộ mục đích của chúng nằm ở khả năng khai thác các thuật toán chuyên biệt như thuật toán của Shor hoặc Grover, khai thác sự chồng chập hoặc vướng víu lượng tử để đẩy nhanh quá trình tìm kiếm giải pháp.
Mặt khác, D-Wave đã chuyển hướng khỏi cách tiếp cận tương đối tổng quát này để chuyển sang ủ lượng tử, hay ủ lượng tử trong tiếng Pháp. Đây là cách làm việc hoàn toàn khác so với máy tính lượng tử do Google và các công ty khác phát triển.
Không giống như máy tính lượng tử có cổng, các QAC (viết tắt của Máy tính ủ lượng tử) như vậy không có khả năng diễn giải bất kỳ chuỗi hướng dẫn nào. Đây là những thiết bị có độ chuyên dụng cao có mục tiêu là tìm kiếm cấu hình năng lượng thấp nhất của một hệ thống, tương đương với việc tìm ra giải pháp tối ưu cho một vấn đề rất cụ thể. Đây là một bài tập cực kỳ khó và trong một số trường hợp là không thể thực hiện được bằng máy tính truyền thống.
Để minh họa, bạn có thể hình dung các giải pháp khác nhau cho một bài toán như một chuỗi núi và thung lũng, trong đó độ cao biểu thị mức năng lượng của hệ thống. Các điểm thấp nhất (gọi tắt là đáy thung lũng) tương ứng với năng lượng thấp nhất và do đó tương ứng với các giải pháp gần nhất với tính tối ưu.
Do đó, để tìm ra giải pháp tối ưu cho một bài toán, chỉ cần đi qua các thung lũng này cho đến khi đến điểm thấp nhất. Nhưng ngọn núi gần đó cũng có thể ẩn chứa một thung lũng sâu hơn, do đó đưa đến một giải pháp tối ưu hơn. Vấn đề là việc leo lên ngọn núi này để kiểm tra giả thuyết này đòi hỏi rất nhiều năng lượng, và do đó cũng cần rất nhiều sức mạnh tính toán trong bối cảnh này. Đối với những vấn đề phức tạp nhất, khi các đỉnh cực kỳ cao, máy tính thông thường không thể vượt qua được những rào cản năng lượng này. Do đó, họ thấy mình “mắc kẹt” ở một khu vực cục bộ mà không thể xác minh liệu họ có thực sự tìm ra giải pháp tối ưu nhất có thể hay không. Do đó, tốt nhất là chúng ta chỉ có thể hy vọng vào một giải pháp gần đúng tuyệt vời.
Để tìm ra giải pháp thực sự tối ưu, máy tính ủ lượng tử khai thác hiệu ứng đường hầm lượng tử. Đây là hiện tượng cho phép các hạt vượt qua rào cản năng lượng mà vật lý truyền thống không thể vượt qua. Hiệu ứng này đặc biệt được sử dụng trong kính hiển vi hiện đại, được gọi là kính hiển vi đường hầm.
Trong trường hợp máy tính ủ lượng tử của chúng tôi, hiệu ứng đường hầm giúp có thể đi trực tiếp qua các đỉnh này mà không cần phải tiêu tốn nhiều năng lượng để leo lên chúng, nhằm khám phá nhiều thung lũng cùng lúc. Do đó, chúng ta có được một giải pháp có nhiều khả năng thực sự tối ưu hơn so với máy tính lượng tử có cổng.
Một thành công thử nghiệm ấn tượng
D-Wave tuyên bố rằng công trình phát triển này cuối cùng đã được đền đáp. Trong bài báo nghiên cứu của mình, công ty giải thích rằng họ đã chế tạo một bộ xử lý ủ lượng tử được thiết kế riêng để mô phỏng các đặc tính thay đổi của kính spin.Thuật ngữ này dùng để chỉ một họ vật liệu từ tính trong đó spin (một đặc tính lượng tử của vật chất) của các nguyên tử được sắp xếp ngẫu nhiên. Điều này tạo ra tình huống mà một số vòng quay muốn thẳng hàng trong khi những vòng quay khác lại hoàn toàn muốn đối lập với nhau. Do đó, không có sự sắp xếp ổn định nào đáp ứng được kỳ vọng của tất cả các nguyên tử và chúng ta thu được một hệ thống tương đối hỗn loạn trong quá trình tiến hóa liên tục.
Theo truyền thống, việc mô phỏng hành vi của các thành phần này là vô cùng khó khăn. Trên thực tế, việc này khó đến mức một siêu máy tính sẽ phải mất thời gian gần như vô hạn để thực hiện mô hình như vậy. Thật không may, vì những vật liệu này có nhiều ứng dụng rất thú vị - đặc biệt là trong lĩnh vực bán dẫn.
Mặt khác, D-Wave tuyên bố rằng bộ xử lý ủ lượng tử siêu chuyên dụng của họ cho phép họ trực tiếp mô hình hóa hành vi của vật liệu, mà không bị giới hạn bởi các phép tính gần đúng vốn có trong các kỹ thuật truyền thống (xem ở trên)... chỉ trong vài phút. Do đó, bà tuyên bố "là người đầu tiên chứng minh được tính ưu việt của lượng tử trong một vấn đề thực tế cụ thể."
Tính ưu việt của lượng tử, thực sự ư?
Tuy nhiên, tuyên bố cuối cùng này đáng được xem xét một cách thận trọng. Xin nhắc lại, đây không phải là lần đầu tiên một công ty tuyên bố có năng lực lượng tử vượt trội và chúng ta phải luôn cảnh giác; Đây là một thuật ngữ nghe có vẻ hoa mỹ thường được sử dụng cho mục đích truyền thông để quảng bá các tác phẩm đầy hứa hẹn. Ví dụ, chúng ta nhớ đến Google, công ty tuyên bố đã đạt được ưu thế lượng tử vào năm 2019 với bộ xử lý Sycamore (xem nghiên cứu này).Ngay cả khi công nghệ của hai công ty về cơ bản khác nhau, điều quan trọng là tuyên bố này đã sụp đổ khá nhanh chóng. Trên thực tế, các nhà nghiên cứu khác cuối cùng đã tái tạo được những kết quả này mà không cần máy tính lượng tử, chỉ bằng cách tối ưu hóa các kỹ thuật tính toán thông thường. Hoàn toàn có khả năng công trình D-Wave này sẽ đi theo quỹ đạo tương tự trong vài năm tới.
Do đó, cho đến khi có bằng chứng chứng minh điều ngược lại, chúng ta có thể chính đáng coi rằng nghiên cứu D-Wave sẽ không dẫn đến một cuộc cách mạng ngay lập tức trong điện toán lượng tử. Dù công ty có nói gì đi nữa, có lẽ sẽ phải mất một thời gian nữa chúng ta mới đạt được ưu thế lượng tử thực sự, loại ưu thế cho phép chúng ta giải quyết vô số vấn đề thực tế mà máy tính hiện nay hoàn toàn không thể giải quyết được.
Nhưng điều đó không có nghĩa là chúng ta nên bỏ qua công trình này. Trước hết, đây là một thành công thực nghiệm lớn với những tác động rất cụ thể đến vật lý cơ bản và khoa học vật liệu.
Hơn nữa, nghiên cứu này cũng có giá trị thể hiện sự quan tâm đến việc khám phá các phương pháp tiếp cận khác, bên ngoài những gì các gã khổng lồ trong ngành đang làm. Trong trường hợp tốt nhất, cách tiếp cận này sẽ loại bỏ được tình trạng dây dẫn vô trùng. Và lý tưởng nhất là nó sẽ đưa chúng ta đến gần hơn với thời điểm công nghệ đáng gờm này thực sự phát triển mạnh mẽ và cách mạng hóa ngành điện toán như chúng ta biết ngày nay.
Hãy kiểm tra lại sau vài năm (hoặc có thể là vài thập kỷ nữa) để xem liệu bài báo này có đi vào lịch sử hay không, hay nó chỉ là một cột mốc khá bình thường trên con đường dài hướng tới sự thống trị lượng tử.
Văn bản của nghiên cứu có sẵn tại đây.
