Máy tính lượng tử giải bài toán 110 năm trong 19 giây

Mỹ Các nhà nghiên cứu Mỹ sử dụng bộ xử lý lượng tử của IBM để làm một bài toán phức tạp trong 19 giây thay vì 110 năm nếu dùng siêu máy tính.

Theo Science Alert , bộ xử lý Nighthawk r2 của IBM đã cho thấy máy tính lượng tử thương mại một ngày nào đó có thể vượt qua siêu máy tính. Kết quả thí nghiệm được mô tả trên cơ sở dữ liệu arXiv hôm 23/9. Nhà vật lý lý thuyết vật chất ngưng tụ Tigran Sedrakyan của nền tảng BlueQubit tại Mỹ cho biết đây là minh chứng đầu tiên về lợi thế lượng tử đối với việc lấy mẫu mạch ngẫu nhiên thuần túy trên một bộ xử lý thương mại mà người sử dụng không chuyên có thể dễ dàng ứng dụng.

Thay vì sử dụng bộ xử lý chuyên dụng, Sedrakyan và đồng nghiệp tiến hành thí nghiệm trên Nighthawk r2, một bộ xử lý lượng tử siêu dẫn 120 qubit có thể truy cập thương mại thông qua nền tảng đám mây của IBM. Họ chọn ra 61 qubit trong số đó và áp dụng vào các mạch điện toán ngẫu nhiên có độ phức tạp ngày càng tăng, lên đến 40 chu kỳ (vòng lặp lại của phép toán trong đó qubit chịu tác động và vướng víu vào nhau). Đặc biệt, nhóm nghiên cứu thực hiện thí nghiệm thông qua sử dụng quy trình làm việc tiêu chuẩn của nền tảng đám mây mà không cần hiệu chỉnh riêng. Kết quả là Nighthawk r2 tạo ra một triệu mẫu chỉ trong 19 giây.

Để đo lường độ khó của tác vụ này đối với máy tính cổ điển, nhóm của Sedrakyan sử dụng kỹ thuật gọi là co bó mạng tensor để ước tính chi phí tính toán khi mô phỏng một mạch lượng tử trên máy tính cổ điển. Theo tính toán của họ, việc tạo ra một triệu mẫu sẽ cần khoảng 1,2×10²⁷ phép tính. Trong khi đó, Frontier, siêu máy tính nhanh nhất thế giới cho đến năm 2024, có hiệu suất tối đa hơn một tỷ tỷ (1 × 10¹⁸) phép toán mỗi giây. Dựa vào tốc độ thực tế máy có thể chạy ổn định trong thời gian dài, các nhà nghiên cứu tính toán siêu máy tính hàng đầu như Frontiersẽ phải chạy liên tục không nghỉ trong suốt 110 năm để lặp lại thành tích của Nighthawk r2.

Sedrakyan và đồng nghiệp nhấn mạnh, họ không khẳng định máy tính cổ điển sẽ không bao giờ có thể sánh kịp hiệu suất của Nighthawk r2, mà chỉ ra rằng bộ xử lý lượng tử đã tiến xa trong cuộc đua giành lợi thế lượng tử.

Cuộc đua giành lợi thế lượng tử giữa siêu máy tính và máy tính lượng tử bắt đầu từ năm 2018. Lợi thế lượng tử là thời điểm máy tính lượng tử thực hiện thành công một nhiệm vụ tính toán phức tạp mà máy tính cổ điển không thể hoặc rất khó thực hiện. Năm 2018, các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley đề xuất sử dụng bài toán lấy mẫu mạch ngẫu nhiên (RCS) làm thước đo.

Mạch lượng tử là một chuỗi phép toán thực hiện trên qubit (bit lượng tử - đơn vị thông tin cơ bản trong điện toán lượng tử), tương tự phép toán thực hiện trên bit ở máy tính thông thường. Theo Kaggle , trong RCS, những phép toán này chủ yếu được chọn ngẫu nhiên, tạo ra trạng thái lượng tử ngày càng phức tạp. Bộ xử lý đo lường trạng thái đó nhiều lần, tạo ra chuỗi số 0 và 1, gọi là "mẫu". Việc tạo mẫu khá đơn giản, nhưng khi số lượng qubit và phép toán tăng lên, quá trình tính toán phân phối xác suất cần thiết để tạo ra kết quả tương tự trên máy tính cổ điển trở nên khó khăn.

Năm 2019, Google tuyên bố bộ xử lý Sycamore 53 qubit của họ đã thực hiện một thí nghiệm RCS vượt quá khả năng của siêu máy tính cổ điển. Tuy nhiên, không lâu sau, giới khoa học tìm ra cách thúc đẩy máy tính thông thường tạo ra kết quả tương tự. Từ đó, các nhà nghiên cứu lượng tử cố gắng đưa hệ thống của họ đến giới hạn cao hơn bằng công nghệ tiên tiến nhất hiện có.