Gấp đôi lũy thừa

Lượng tử tối thượng nghe thì có vẻ vô cùng to lớn, nhưng nó chỉ là một phần của các thành tựu hiện tại. Và thậm chí, trong tương lai, nó sẽ không còn được coi là một dấu mốc đáng nể nữa.

Trước đây, setup của Google rất đơn giản: Sắp xếp vào tập qubit được tạo ra một cách ngẫu nhiên cho cả máy tính lượng tử và bộ mô phỏng. Bắt đầu với vài qubit thực hiện vài quá trình hoạt động cơ bản, sau đó so sánh thời gian cần thiết để cho ra kết quả.

Cần lưu ý rằng, bô mô phỏng đang được chạy trên Summit – Siêu máy tính được coi là hệ thống xử lý bậc nhất thế giới, vượt xa các siêu máy tính còn lại, được đặt tại Phòng nghiên cứu Quốc gia Oak Ridge. Summit có 2,4 triệu nhân xử lý, khoảng 3 petabyte bộ nhớ, với tốc độ xử lý trung bình khoảng 150 petaflops.

Và ở những bước đầu tiên này, thì bộ mô phỏng và máy tính lượng tử luôn cho các kết quả giống nhau.

Nhưng khi hệ thống có nhiều qubit hơn, thời gian để hệ mô phỏng đưa ra dự đoán cũng trở nên dài hơn. Trước đó, thời gian chênh lệch giữa hệ mô phỏng và máy tính lượng tử chỉ ở mức vài giây hoặc vài phút. Nhưng cho tới mức 54 qubit, thì độ chênh lệch này đã lên tới hàng giờ.

Sau khi hệ mô phỏng tốn tới 5 tiếng để chứng thực kết quả của máy tính lượng tử, Google đã quyết định thay đổi tác vụ kiểm chứng. Google không thể hêm qubit vào phần cứng được nữa, và thêm qubit cũng không phải cách duy nhất để làm máy tính lượng tử trở nên phức tạp hơn. Vì vậy, Google đã chuyển sang thực hiện nhiều lần tác vụ hơn với cùng số qubit, đồng thời tăng cường độ phức tạp của mô phỏng.

Với máy tính lượng tử, việc thêm vào 1, 2, hay thậm chí là hàng nghìn lần chạy cũng chỉ tốn thếm vài giây xử lý.

Biểu đồ biểu hiện quá trình trên. Đường chấm là khoảng được chọn bởi đội ngũ, trục x là số qubit và trục y biểu thị cho độ phức tạp.

Còn với bộ mô phỏng, quá trình trên tốn tới 1 tuần, kể cả khi sử dụng máy tính mạnh nhất thế giới.

Lúc này, việc chạy mô phỏng đã trở nên quá tốn kém và kéo dài, vì vậy đội ngũ đã quyết định dừng hệ mô phỏng lại. Và dù có thử nghiệm tới đâu, vẫn không có ai có thể khẳng định là đã đạt được “lượng tử tối thượng.” Tuy nhiên, khó khăn không có nghĩa là hoàn toàn bất khả thi.

Vì vậy, Google lại tiếp tục thử nghiệm nâng cao hơn với 54 qubit và 25 quy trình. Kết quả là, hệ thống Sycamore của Google đã mô phỏng được trong 200 giây – trong khi đó ở những kết quả trước, Summit sẽ tốn tới 10.000 năm để thực hiện điều này.

Và kết quả là một trạng thái gấp đôi lũy thừa. Trong đó, khi tăng số lượng qubit và số lượng quy trình, thì thời gian để máy tính lượng tử xử lý cũng tăng (trong mức từ vài micro giây tới vài giây), tạo thành một mối quan hệ tăng tuyến tính. Tuy nhiên, với mỗi qubit được tăng thêm, thì việc chạy mô phỏng lại trở nên đắt đỏ hơn theo cấp số mũ, và điều tương tự cũng xảy ra với mỗi chu kỳ được tăng thêm.

Và khi chi phí liên tục tăng như vậy, từ tỷ lệ 1:1 lên 2:16, và từ 2:16 lên 10:10.000, thì sẽ có thời điểm bạn đơn thuần là phải từ bỏ. Chính vì vậy, khi Goolge thấy máy tính mạnh nhất còn phải chật vật, hãng đã quyết định ngừng lại toàn bộ việc mô phỏng.

Nhưng ta cũng cần lưu ý rằng, kết quả này chỉ đúng ở hiện tại, và các siêu máy tính cùng với các kỹ thuật mô phỏng vẫn còn nhiều khả năng được cải thiện trong tương lai. Trên thực tế, trước quyết định của Google, IBM đã công bố một nghiên cứu trong đó nói rằng, trên lý thuyết, hãng có thể giảm phần lớn thời gian hoàn thành các tác vụ. Tuy nhiên, khả năng cao là IBM sẽ không tăng quy mô, bởi lẽ điều này sẽ làm ảnh hưởng tới lượng tử tối thượng. Và đây cũng sẽ không phải là tiến bộ duy nhất trong tương lai phát triển lượng tử.

Sputnik cũng chẳng làm gì nhiều

Hartmut Neven, phòng thí nghiệm AI lượng tử tại Google đã chỉ ra rằng: “Sputnik chẳng làm gì nhiều, nó chỉ đi vòng quanh trái đất và phát ra tiếng.” Tuy nhiên, ta lại gọi những bước tiến lớn là “khoảng khắc Sputnik” – Bởi lẽ, ở những khoảng khắc này, lý thuyết đã biến thành thực tiễn, và rồi sau đó, thực tiễn lại biến thành thông thường.

Nhân của một máy tính lượng tử.

Nhiều người tại Google cũng đồng tình với quan điểm này. Theo họ, lượng tử tối thượng là một kết quả tuyệt vời, nhưng thứ quan trọng là những gì họ học được xuyên suốt quá trình, và công trình của họ không hoàn toàn vô nghĩa.

Về cơ bản, dù có tương lai cho máy tính lượng tử hay không, thì kết quả của họ cũng có thể đạt được. Và rút ra từ hàng loạt các biểu đồ và sơ đồ phức tạp, nhà lý luận lượng tử John Martines đã đưa ra một kết luận cần thiết: Máy tính lượng tử không hề đang làm gì kỳ lạ và không dự đoán được.

Và 2 tính chất này là vô cùng quan trọng trong tìm hiểu những thứ mới: Trong quá trình thử nghiệm với các qubit, thay đổi, đối chiếu, tách rời chúng – Thì một điều gì đó có thể xảy ra.

Có thể, một hệ thống với hơn 14 qubit được liên kết sẽ có thể tạo ra một đứt đoạn dẫn tới dừng lại tác vụ. Hoặc sẽ xuất hiện một lực nào đó làm các qubit photon theo trình tự tác động lẫn nhau. Hoặc các cổng có trình tự sẽ làm các qubit phục hồi cách sóng, làm đứt liên kết. Chính những khả năng này đã làm nhiều người thắc mắc, liệu máy tính lượng tử có thật sự tồn tại hay không.

Nếu những khả năng trên được phát hiện trên các máy tính số, thì năng lực của các máy tính này sẽ bị hạn chế. Và cho tới tận bây giờ, ta vẫn chưa thể biết, liệu hạn chế này có tồn tại trên các máy tính lượng tử hay không.

Martine chia sẻ: “Hiện tại, không có cơ chế nào có thể làm hỏng một máy tính lượng tử. Các lỗi sai trên máy tính lượng tử, dù được gây ra bởi cái gì, trên hệ thống đơn giản hay phức tạp, đều là như nhau. Vì vậy, lỗi trên máy tính lượng tử không phụ thuộc vào độ phức tạp và sự liên kết máy tính – Tức là máy tính lượng tử rất chắc chắn, kể cả khi cơ chế của chúng có phức tạp tới đâu.”

Trong các thí nghiệm, các máy tính lượng tử phức tạp chưa bao giờ xảy ra các lỗi sai không dự báo được trước, và theo những gì quan sát được, điều này sẽ tiếp diễn cho dù ta có thử nghiệm các máy tính chưa tới hàng nghìn qubit.

Hello world

Và đây mới là thành tựu lớn nhất của đội ngũ nghiên cứu. Trong quá trình cố gắng đạt được lượng tử tối thượng, họ đã phát hiện ra rằng, máy tính lượng tự liên tục có thể trở nên tốt hơn, đạt được những thành tựu đáng nể hơn, và điều này quan trọng hơn những kết quả thí nghiệm.

Mọi thứ đều chỉ là lý thuyết cho tới khi thử nghiệm – Và với công trình của mình, đội ngũ nghiên cứu đã chứng minh được lý thuyết này.

Điều này có nghĩa là, sớm thôi (dù không biết cụ thể là khi nào), các máy tính lượng tử sẽ được sử dụng cho những tác vụ thật. Và sau đó, chúng sẽ liên tục được cải thiện trên thực tiễn, chứ không đơn thuần nằm trên lý thuyết.

Như vậy, công trình đã đi từ lý luận của Feynman rằng ta cần máy tính lượng tử, sang việc sử dụng máy tính lượng tử để thỏa mãn nhu cầu. Và đây, là khoảng khắc “hello world” của công nghệ này.

Và quả nhiên, Feynman đã đúng.

Công trình của Google đã được đăng tải trên tạp chí Nature, và có thể được tìm đọc tại đây.

FPT TechInsight
Source: TechCrunch

Tin liên quan: