Máy tính lượng tử đã có mặt trong thực tế, mặc dù chưa thể hiện rõ ràng. Giờ đây, các nhà nghiên cứu cho biết lợi thế lượng tử - cột mốc được hứa hẹn từ lâu về việc vượt trội so với máy tính cổ điển - dường như cuối cùng đã đến. Nhưng câu chuyện này đi kèm với một lưu ý quan trọng.
Nghiên cứu của các nhà khoa học tại Đại học Texas ở Austin và công ty máy tính Colorado Quantinuum đã thiết kế và thực hiện một thí nghiệm chứng minh "lợi thế lượng tử vô điều kiện", đôi khi được gọi là ưu thế lượng tử tuyệt đối. Như các nhà nghiên cứu diễn đạt, "kết quả của chúng tôi có thể chứng minh và vĩnh viễn: không có sự phát triển nào trong tương lai của thuật toán cổ điển có thể thu hẹp khoảng cách này." Bản thảo chưa được đánh giá ngang hàng đã được công bố trên arXiv vào tháng 9.
Gizmodo đã liên hệ với một số chuyên gia trong lĩnh vực này, họ xác nhận kết quả mới. Họ bổ sung rằng thí nghiệm này, mặc dù đáng khen ngợi, nhưng không phải là ứng dụng thực tế nhất của máy tính lượng tử - vốn đã bị chỉ trích vì tính vô dụng đối với người dùng hàng ngày.
Tuy nhiên, "lợi thế lượng tử" là một khái niệm kỳ lạ, có thể thay đổi một cách đáng ngạc nhiên với nhiều ứng dụng khả thi. Nhìn chung, kết quả này chắc chắn đáng để xem xét kỹ hơn.
Alice và Bob xuất hiện
Những người đam mê lượng tử có thể quen thuộc với Alice và Bob, hai nhân vật hư cấu thường được triệu tập cho các thí nghiệm tư duy lượng tử. Trong bối cảnh thí nghiệm mới, Alice và Bob là hai nhà nghiên cứu hợp tác trong một phép tính sử dụng một thiết bị duy nhất. Họ nhận các đầu vào khác nhau tại các thời điểm khác nhau, nhưng chỉ Alice có thể gửi tin nhắn cho Bob, chứ không ngược lại. Dựa trên tin nhắn của Alice, Bob phải quyết định cách đo lường và diễn giải để tạo ra kết quả cuối cùng.
Theo bài báo, "việc sử dụng tin nhắn lượng tử có thể chứng minh được rằng giảm lượng giao tiếp cần thiết theo hệ số mũ so với bất kỳ giao thức nào chỉ sử dụng giao tiếp cổ điển." Nói cách khác, một tin nhắn lượng tử nhỏ có thể thay thế một tin nhắn cổ điển lớn hơn nhiều. Để chứng minh quan điểm của mình, nhóm đã lặp lại thí nghiệm 10.000 lần trên máy tính lượng tử ion bẫy H1-1 của Quantinuum, kết hợp với việc xác thực toán học cẩn thận cho giao thức của họ.
Đáng ngạc nhiên, họ phát hiện rằng một máy tính lượng tử chỉ cần 12 qubit (qubit là đơn vị thông tin nhỏ nhất cho máy tính lượng tử) để giải quyết vấn đề này. Ngược lại, ngay cả những máy tính cổ điển hiệu quả nhất cũng cần 330 bit.
Một cách chơi khác
"Đây là một loại lợi thế lượng tử rất khác so với những gì chúng ta đã thấy trước đây - không tốt hơn hay tệ hơn, nhưng nó chỉ chứng minh điều gì đó hoàn toàn khác biệt so với các thí nghiệm trước," Bill Fefferman, một nhà khoa học máy tính tại Đại học Chicago, nói với Gizmodo qua email. Fefferman trước đây đã hợp tác với tác giả chính Scott Aaronson nhưng không tham gia vào nghiên cứu mới.
Fefferman giải thích rằng các nhà khoa học thường coi lợi thế lượng tử là "nỗ lực thực hiện một phép tính trên máy tính lượng tử có thể được giải quyết nhanh hơn đáng kể so với bất kỳ máy tính cổ điển nào." Ngược lại, thí nghiệm mới đạt được "ưu thế thông tin lượng tử", trong đó trọng tâm không phải là tốc độ mà là sử dụng ít qubit hơn để giải quyết một vấn đề mà máy tính cổ điển cần nhiều bit hơn để xử lý.
"Đúng là kết quả của họ là vô điều kiện, theo nghĩa là nó không dựa vào các giả định chưa được chứng minh," Fefferman nói. "Tất nhiên, đây là một đặc điểm tuyệt vời của thí nghiệm mới này, nhưng nó cũng được thừa hưởng bởi việc 'thay đổi mục tiêu' này."
Gizmodo đã liên hệ với các tác giả của nghiên cứu, họ cho biết không thể bình luận cho đến khi bài báo được xuất bản chính thức.
Tận dụng lợi thế
Kết quả này đặt ra câu hỏi về mục tiêu rộng lớn hơn của việc chứng minh lợi thế lượng tử. Như giám đốc IBM Quantum đã nói với Gizmodo trong một cuộc phỏng vấn trước đó, một câu trả lời tiềm năng là hỏi máy tính lượng tử có thể nâng cao các vấn đề máy tính mà chúng ta đã quen thuộc như thế nào.
Nhưng như Fefferman lưu ý, không nhất thiết có một cách tiếp cận tốt hơn hay tệ hơn để đạt được lợi thế lượng tử - mặc dù "mục tiêu" này dường như là chén thánh cho cuộc đấu tranh của lĩnh vực này để chứng minh giá trị của mình.
Điều đó có thể là sản phẩm của lịch sử máy tính lượng tử, Giuseppe Carleo, một nhà vật lý tính toán tại EPFL ở Thụy Sĩ, người không tham gia vào công trình mới, giải thích với Gizmodo trong một cuộc gọi video. Sự phát triển nhanh chóng của máy tính lượng tử khiến chúng ta dễ quên rằng phần cứng phù hợp mới có sẵn để kiểm tra lý thuyết gần đây như thế nào.
"Vì vậy, lĩnh vực này đã phát triển về mặt lịch sử trong 20, 30 năm qua gần gũi hơn với toán học, hơn là một lĩnh vực ứng dụng nơi bạn có thể sử dụng máy để chạy mọi thứ," Carleo nói, người đã nói chuyện với Gizmodo về lịch sử máy tính lượng tử. Kết quả là, hầu hết các phân tích trong lĩnh vực này vẫn ở mức lý thuyết trong thời gian dài hơn các nhà khoa học mong muốn.
Nhưng với những tiến bộ về phần cứng và một ngành công nghiệp phát triển nhanh chóng, xu hướng này đang dần thay đổi - như nó nên thế, Carleo nói. Nhiều dự án đang chuyển hướng khỏi việc thiết kế các thí nghiệm lợi thế lượng tử "được thiết kế riêng để thể hiện lợi thế", thay vào đó chuyển sang những nơi mà máy tính lượng tử có thể giúp đỡ, không nhất thiết phải lật đổ.
Điều đó thực sự gần hơn với "nguồn gốc" của lĩnh vực này, ông bổ sung. Richard Feynman, nhà vật lý đóng vai trò quan trọng trong nền tảng máy tính lượng tử, đã gợi ý rằng máy tính lượng tử nên dự đoán các hiện tượng lượng tử. Chắc chắn, có thể không có nhiều "tiền bạc gắn liền với nó", nhưng chúng "có ý nghĩa to lớn đối với vật lý lý thuyết", đặc biệt là liên quan đến các câu hỏi cơ bản về vũ trụ của chúng ta, Carleo giải thích.
Bất cứ thứ gì lượng tử đều không bao giờ dễ dàng
Thí nghiệm mới có thể gặp khó khăn trong việc chứng minh mối liên hệ trực tiếp với tính thực tế. Nhưng theo một cách nào đó, bản thảo này thực sự tuân theo lời khuyên của Feynman. Nó chắc chắn là một minh chứng mạnh mẽ về mặt lý thuyết về việc sử dụng phần cứng lượng tử để điều tra các khái niệm lượng tử.
Tại thời điểm này, điều đó khiến nó có vẻ tách biệt khỏi thực tế. Tuy nhiên, khi nào bất cứ thứ gì lượng tử lại đưa ra câu trả lời dễ dàng? Tuy nhiên, nếu lịch sử khoa học là kim chỉ nam, những khám phá tốt nhất đến từ những theo đuổi bất ngờ, dường như không thực tế nhất. Chúng ta sẽ chỉ phải tiếp tục theo dõi.
