Xen giữa bờ biển và núi đồi của Goleta, California, có một toà văn phòng nằm ngay cạnh đường quốc lộ. Ở cái nôi công nghệ California này, văn phòng kể trên có thể thuộc về bất kỳ ai; quang cảnh trong ngoài không khiến bạn đoán dễ hơn chút nào: công nhân ngồi thành từng ô, đều đang tắm ánh sáng đèn tuýp, ngoài cửa là giá đỡ xe đạp và ván lướt sóng.
Phải bước vào bên trong mà hỏi sự tình, bạn mới biết những người ngồi kia là các nhà vật lý học, những nhà khoa học máy tính đang phát triển một cỗ máy tính bạn chưa từng thấy trên đời. Đằng sau cánh cửa kia, có một cỗ máy mang trên mình một con chip đặc biệt, đang được lưu giữ tại nhiệt độ thấp ngang ngửa cái lạnh của Vũ trụ.
Tại đây, các nhà khoa học của Google nhận về một nhiệm vụ được cho là bất khả thi, tạo ra một cỗ máy tính có thể giải quyết vấn đề toán học mà đến siêu máy tính mạnh nhất thế giới cũng phải bó tay. Ngày hôm qua, 23 tháng Mười năm 2019, họ tuyên bố mình đã thành công.
Máy tính lượng tử Sycamore của Google có thể giải quyết vấn đề toán học hóc búa trong vỏn vẹn 200 giây, bài toán khó đến mức siêu máy tính Summit của IBM phải mất 10.000 năm mới giải được. Báo cáo khoa học mang nhiều tranh cãi của họ hoặc sẽ sớm bị vạch trần, hoặc trở thành dấu mốc của nền công nghệ máy tính; đã có những nhà khoa học so sánh Sycamore với chiếc máy bay của anh em nhà Wright năm nào - dù chúng ta đã biết về khả năng bay/khả năng tính toán của máy tính lượng tử, nhưng phải tới anh em nhà Wright/Google thì ta mới tận mắt chứng kiến điều đó.
“Một trong những lời phê bình chúng tôi nhận được nhiều nhất đó là đã tự tạo ra một vấn đề toán học riêng để có được điểm benchmark này - và rằng [Sycamore] chưa làm được gì hữu ích”, Hartmut Neven, giám đốc kỹ thuật tại Google, trên người đang vận bộ đồ ánh bạc trông như quần áo của phi hành gia, nói với báo giới trong buổi họp báo công bố kết quả.
“Đó là lý do chúng tôi muốn so sánh dấu mốc này với vệ tinh Sputnik hơn. Sputnik chẳng làm được gì nhiều, nhiệm vụ của nó chỉ là bay vòng quanh Trái Đất. Thế nhưng đó lại là điểm khởi đầu của Thời đại Không gian”.
Ở máy tính cổ điển, transistor mô tả dữ liệu dưới dạng “0” và “1”, máy tính lượng tử lại mô tả dữ liệu theo một cách khác, một trạng thái có tên “qubit”. Thay vì sử dụng logic của “có” và “không”, chip lượng tử tương tác với nhau, chuyển đổi trạng thái giữa “1”, “0” và trạng thái chồng – superposition, tồn tại ở cả hai giá trị 0 và 1 cùng một lúc, một trạng thái dựa trên cơ chế hoạt động của cơ học lượng tử.
Mỗi một qubit được thể diễn dưới dạng vật lý bằng một sợi dây siêu dẫn nhỏ xíu, được lặp thành một vòng thành hình dấu cộng. Dòng điện không chỉ chạy qua dây mà không gặp điện trở, nó còn hoạt động như một electron đơn lẻ. Mỗi “dấu cộng” lại được nối với 4 “dấu cộng” khác, đan thành một lưới mắt cáo siêu việt.
Con chip có bề ngoài không khác những thiết bị anh em của nó, nằm gọn trong phần dưới cùng của cỗ máy tính lượng tử - với hình dáng như một chiếc bánh cưới lộn ngược; chip nằm trong một khoang chân không. Để giữ cho nó hoạt động và duy trì được một qubit, nhiệt độ khoang phải đạt mức cực thấp, khoảng 15 mili Kelvin, tương đương -273,135 độ C.
Các nhà khoa học tại Google đã thiết kế nên thử nghiệm chứng minh Uy thế Lượng tử từ hồi 2016. Thử nghiệm sẽ có dạng như sau:
Đặt các mạch điện ngẫu nhiên bằng cánh cổng lượng tử này. Đo đạc nhiều lần một mạch điện (khoảng hàng nghìn tới hàng triệu lần), rồi một chuỗi các số 0 và 1 sẽ dần hiện kết quả thông qua một hiệu ứng có tên giao thoa lượng tử.
Những chip lượng tử trước đây của Google.
Sử dụng siêu máy tính để giả lập máy tính lượng tử, yêu cầu nó cố gắng tạo ra kết quả với xác suất tương tự với những gì đường dây siêu dẫn của máy tính lượng tử tạo ra. Với mỗi qubit xuất hiện (và thêm mỗi phép toán mới), siêu máy tính lại càng khó theo kịp máy tính lượng tử hơn.
Các nhà khoa học tại Google tự tin rằng khi vận hành 53 qubit của Sycamore (trên tổng số 54 qubit, do một qubit không vận hành được), họ sẽ có thể vượt mặt siêu máy tính. Để khẳng định được kết quả này, họ phải giảm dần độ phức tạp của mạch điện, để siêu máy tính có thể kiểm tra kết quả và thực hiện thành công phép ngoại suy.
Với sự giúp đỡ từ nhà vật lý học Scott Aaronson tới từ Đại học Texas, Google tìm ra cách ứng dụng bài thử Uy thế Lượng tử này. Nó có thể cho ra những bit ngẫu nhiên, mà tính ngẫu nhiên thì vốn quan trọng trong những lĩnh vực cao siêu như mã hóa và tầm thường như … đánh xổ số. Nhưng liệu rằng những con số xuất hiện có thực sự ngẫu nhiên - chẳng hay có ai, có cỗ máy nào đoán ra được những con số được cho là ngẫu nhiên này không?
Bằng thử nghiệm vừa nêu, Google có thể xác nhận rằng máy tính cổ điển không thể tạo ra những con số ngẫu nhiên này.
Mặc dù bản thân là dấu mốc về công nghệ máy tính, cỗ máy của Google vẫn gặp lỗi. Bất kỳ tương tác nào với thế giới bên ngoài đều có thể khiến qubit cho ra kết quả sai lệch. Nhưng thử nghiệm cho thấy khi cho thêm qubit vào hệ thống, số lượng lỗi sẽ tăng … theo một cách đoán trước được. Cách đặt dây, cụ thể hơn là cái lưới mắt cáo tạo bởi các dây siêu dẫn, chính là cách thức đoán trước lỗi và sửa lỗi.
“Chúng tôi chứng minh được rằng mình kiểm soát được những lỗi kia”, nhà khoa học đang làm việc tại Google, Marissa Giustina nói. “Đó chính là điểm mấu chốt về mặt kỹ thuật và nhân tố quan trọng trong về mặt vật lý của đột phá này”.
Nhiều nhà khoa học cũng lên tiếng chỉ trích, rằng máy tính cổ điển có thể thực hiện bài thử Uy thế Lượng tử với thời gian ngắn hơn nhiều, điều máy tính cổ điển cần là một thuật toán chính xác, thứ vẫn chưa xuất hiện. IBM tuyên bố rằng siêu máy tính Summit của họ có thể thực hiện bài thử Google đưa ra trong 2,5 ngày, một khoảng cách lệch quá nhiều (tận 1.460.000 lần) so với con số 10.000 năm mà Google nêu trong báo cáo nghiên cứu.
Hartmut Neven đáp: “Kể từ khi chúng tôi đăng tải báo cáo về Uy thế Lượng tử, một loạt những ý kiến cải thiện máy tính cổ điển xuất hiện, dường như đây lại biến thành bài thử benchmark cho máy tính cổ điển”. Ông giải thích thêm rằng các nhà nghiên cứu tại NASA, Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge và nhiều nơi khác đều đang nỗ lực cải thiện thuật toán máy tính cổ điển, để cỗ máy tính lượng tử của Google có cơ hội đối đầu mới.
Xét về mặt khoa học, Google đã chứng minh sự tồn tại một hệ thống lượng tử lớn và phức tạp, vượt xa mọi hệ thống từng tồn tại trước đây. Xét về ngành nghiên cứu máy tính, thì nhân loại vừa bước vào một kỷ nguyên mới, một vùng đất mới chưa dấu chân người: giờ đã có bằng chứng khẳng định máy tính lượng tử vượt mặt máy tính cổ điển.
Tham khảo Gizmodo