Vấn đề lượng tử: Bạn không bao giờ thực sự biết được tương lai

Trong hơn một thập kỷ, mọi người đã tranh luận liệu máy tính lượng tử có phải là mối đe dọa thực sự đối với mạng lưới Bitcoin hay không. Đây đã là một chủ đề được bàn luận nghiêm túc từ hơn 13 năm trước, khi chính tôi lần đầu biết đến Bitcoin.

Kể từ thời điểm xa xưa ấy, khi tôi vẫn còn là một gã ngốc lóng ngóng cố tìm hiểu chuyện gì đang diễn ra, đã có rất nhiều tiến bộ cả về lý thuyết lẫn kỹ thuật trong thực tế.

Kể từ đó, hai cột mốc lớn đã đạt được, tạo ra khác biệt đáng kể đối với khả năng một máy tính lượng tử khả thi thực sự được chế tạo trong khoảng một thập kỷ tới. Điều đó không có nghĩa là máy tính ấy sẽ trở nên phổ biến rộng khắp, hay thậm chí tương đối dễ tiếp cận với những người có nguồn vốn lớn.

Nhưng rất có thể sẽ có một số máy tính khả thi được chế tạo trong tương lai gần.

Cải thiện khả năng sửa lỗi

Cải tiến lớn đầu tiên là trong lĩnh vực sửa lỗi. Để xử lý nhiễu vốn có khi làm việc ở quy mô cực nhỏ như vậy, việc tạo ra một qubit logic hữu ích trong tính toán thực tế đòi hỏi phải sử dụng nhiều qubit vật lý dự phòng.

Phương pháp tiên tiến nhất trước đây là mã bề mặt: một cách kết hợp nhiều qubit vật lý thành một mạng lưới và dùng một số qubit làm qubit kiểm tra để định kỳ "kiểm tra" các qubit lân cận, bảo đảm không xảy ra lỗi nội tại nào trong trạng thái chồng chập (mà không làm sụp đổ trạng thái chồng chập). Các khoảng trống trong mỗi mạng lưới cần được lấp đầy bằng qubit kiểm tra.

Yêu cầu về qubit kiểm tra này tạo ra phần chi phí bổ sung, có thể lên tới gần 1,000 qubit vật lý cho mỗi qubit logic. Vấn đề càng nghiêm trọng khi mở rộng quy mô, vì qubit kiểm tra chỉ có thể kiểm tra những qubit ngay bên cạnh. Do đó, mỗi nhóm qubit cần có các qubit kiểm tra được bố trí cách đều nhau.

Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp lượng tử (qLDPC) loại bỏ nút thắt này, cho phép qubit kiểm tra kiểm tra các qubit khác ở khoảng cách xa (thông qua các đường kết nối đan xen để truyền tín hiệu qua các phần của chip, hoặc bằng cách di chuyển vật lý các nguyên tử như trong thiết kế nguyên tử trung hòa) trên toàn bộ thiết bị. Nhờ vậy, lượng qubit vật lý cần thiết để tạo ra một qubit logic đáng tin cậy đã giảm 10x.

Đó không phải là thành tựu có thể xem nhẹ. Dù đây có thể chưa phải là một cỗ máy hoạt động đầy đủ và tiếp tục cải thiện hiệu suất, nhưng đó là những bước tiến đáng kể về hiệu quả trong các quy trình kỹ thuật nền tảng cho việc chế tạo một máy tính lượng tử hoàn chỉnh.

Tiến bộ trong việc chứng minh các nguyên lý nền tảng

Tiến bộ thứ hai liên quan đến một câu hỏi căn bản hơn: liệu khẳng định rằng việc bổ sung thêm qubit vật lý sẽ làm giảm nhiễu tổng thể trong hệ thống, thay vì làm tăng nhiễu, có đúng hay không. Ở thời điểm này, đây vẫn thực sự chỉ là lý thuyết. Cần nhớ rằng cho đến nay, chưa từng có máy tính lượng tử hoạt động đầy đủ nào thực hiện trọn vẹn một phép tính mà máy tính cổ điển không thể làm được.

Google đã tiến hành một thí nghiệm sử dụng các chip Sycamore (và sau này là Willow) để kiểm chứng bằng thực nghiệm tác động của việc bổ sung thêm qubit vật lý. Cần nói rõ rằng đây không phải là màn trình diễn khả năng thực hiện tính toán, mà chỉ là minh chứng cho việc lưu giữ thông tin trong bộ nhớ mà không để thông tin suy giảm.

Họ đã chứng minh, thông qua việc sử dụng các qubit logic được tạo thành từ một nhóm 17 qubit vật lý, một nhóm 49 qubit vật lý và một nhóm 101 qubit vật lý, rằng tỷ lệ lỗi logic — tần suất dữ liệu bị hỏng — giảm xuống khi số lượng qubit vật lý tăng lên. Thử nghiệm này đã vượt qua một ngưỡng quan trọng: qubit logic được tạo ra từ các qubit vật lý độc lập duy trì trạng thái kết hợp lâu hơn bất kỳ qubit vật lý riêng lẻ nào cấu thành nên nó.

Nhắc lại, đây không phải bước nhảy vọt để tạo ra một máy tính lượng tử hoạt động đầy đủ, có thể thực hiện những phép tính mà máy tính cổ điển không làm được, nhưng đây là tiến bộ đáng kể trong việc chứng minh một trong những giả định nền tảng của máy tính lượng tử.

AI

Đây cũng không phải là những vấn đề duy nhất trong lĩnh vực này mà chúng ta đang tìm ra giải pháp tốt hơn. Trí tuệ nhân tạo đã trở thành một thành phần quan trọng trong các hệ thống này. AI được sử dụng ngay trong quá trình đọc và giải mã thông tin từ máy tính lượng tử — một nút thắt lớn khi muốn khai thác công nghệ này trên quy mô lớn.

AI cũng đang được dùng để phát triển các thuật toán lượng tử mới, được tối ưu hóa cho những loại máy tính này. Xét đến việc gần đây AI đã giúp giải quyết (hoặc thậm chí bác bỏ các giả thuyết hiện có về) những vấn đề lớn trong lĩnh vực toán học, thì việc cho rằng AI có thể tạo ra những đột phá lớn cũng không phải là một bước suy luận quá xa vời.

AI cũng được dùng để thiết kế chính các mạch lượng tử vật lý, được xây dựng theo những kiến trúc khác nhau. Đây là một bài toán rất phức tạp: thực sự phải tìm ra cách sắp xếp tối ưu các cổng lượng tử trong không gian vật lý để giảm thiểu nhiễu ở cấp độ lượng tử, nhưng không tạo ra quá nhiều khoảng trống khiến độ trễ, sự kém hiệu quả và các vấn đề khác phát sinh.

Yếu tố này hoàn toàn có thể thúc đẩy mạnh mẽ tiến độ giải quyết những vấn đề nền tảng cần thiết.

Triển vọng phía trước

Suy cho cùng, theo tôi, tất cả phụ thuộc vào một câu hỏi: giả định rằng việc bổ sung thêm qubit vật lý sẽ làm giảm nhiễu có còn đúng khi xét đến quá trình tính toán và thao tác chủ động trên thông tin lượng tử hay không.

Nếu giả định đó đúng, và không bị thực nghiệm bác bỏ trong tương lai gần, thì tôi cho rằng có cơ sở rất thực tế để tin rằng một máy tính lượng tử khả thi sẽ được chế tạo trong mười năm tới.

Một lượng nguồn lực khổng lồ đang được đầu tư cho vấn đề này, đã có những tiến bộ đáng kể (dù chưa áp đảo) trong việc giải quyết từng phần của bài toán, và nếu về cơ bản có cách để làm được điều gì đó, con người thường sẽ tìm ra cách.

Tôi không nói rằng đã đến lúc phải hoảng sợ, nhưng cũng đừng gạt bỏ khả năng này.