Về cơ bản, máy tính kỹ thuật số yêu cầu dữ liệu được mã hóa thành các số nhị phân (bit), với mỗi số luôn ở một trong hai trạng thái xác định (0 hoặc 1). Trong khi đó máy tính lượng tử sử dụng qubit, còn được gọi là bit lượng tử, có thể tồn tại ở nhiều trạng thái đồng thời .
Điểm khác biệt (và cũng là lợi thế) của máy tính lượng tử so với siêu máy tính cổ điển nằm ở thứ được gọi là ‘ưu thế lượng tử’. Đây là một khái niệm nhằm chỉ khả năng giải quyết các vấn đề toán học phức tạp mà chỉ các máy tính lượng tử làm được với thời gian ngắn, trong khi các siêu máy tính cổ điển phải ‘bó tay’, hoặc mất rất nhiều thời gian để hoàn thành.
Vào năm 2019, Google đã tuyên bố chiếc máy tính trang bị chip xử lý 54-qubit Sycamore của họ là máy tính đầu tiên trên thế giới đạt được "ưu thế lượng tử". Khi đó, Google nói rằng bộ xử lý lượng tử Sycamore 54 qubit của mình chỉ mất 200 giây để thực hiện xong phép toán mà siêu máy tính mạnh nhất Trái Đất vào năm 2019 là Summit phải mất 10.000 năm mới giải xong.
Máy tính lượng tử trang bị chip xử lý 54-qubit Sycamore của Google
Nhưng danh tiếng của Sycamore sớm bị lu mờ bởi sự xuất hiện của Jiuzhang vào năm 2020. Đây một bộ xử lý lượng tử 53 qubit mạch quang được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc ở Hợp Phì. Thay vì ứng dụng vật liệu siêu dẫn trên chip, Jiuzhang sử dụng các mạch quang học thực hiện các phép tính, cụ thể là các photon thay vì dòng electron như Sycamore sử dụng. Jiuzhang đã thực hiện thành công một phép tính phức tạp trong 200 giây – điều mà siêu máy tính nhanh nhất của Trung Quốc là TaihuLight phải mất khoảng 2,5 tỷ năm để đạt được kết quả tương tự.
Mặc dù vậy, Jiuzhang được cho là khó có thể ứng dụng trong thực tế, do đây là một thiết bị chuyên dụng không được lập trình để thực hiện bất kỳ tác vụ nào khác. Do vậy, trên nhiều phương diện khác nhau, máy tính lượng tử của Google vẫn được đánh giá là có tính ứng dụng cao hơn, mặc cho khả năng tính toán chậm hơn đôi chút so với Jiuzhang.
Tuy nhiên, sang đến 2021, các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã tiếp tục ‘thị uy sức mạnh’ với máy tính lượng tử Zuchongzhi, vốn được đánh giá là linh hoạt hơn nhiều so với Jiuzhang. Được phát triển bởi nhóm nghiên cứu do Jian-Wei Pan tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc ở Thượng Hải, Zuchongzhi có 11 hàng và 6 cột qubit, xếp thành một mô hình mạng hình chữ nhật hai chiều.
Máy tính lượng tử Zuchongzhi
Để chứng minh tốc độ của Zuchongzhi, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã sử dụng siêu máy tính này để thực hiện nhiệm vụ "lấy mẫu mạch lượng tử ngẫu nhiên". Cơ sở lý thuyết cho vấn đề này rất khó để tóm tắt, liên quan đến lý thuyết ma trận ngẫu nhiên, phân tích toán học, hỗn loạn lượng tử, độ phức tạp tính toán và lý thuyết xác suất. Nó cũng được là có độ khó cao hơn gấp 100 lần so với ‘bài toán’ mà con chip lượng tử Sycamore của Google phải giải quyết vào năm 2019. Nói một cách ngắn gọn, đây được coi là một thử thách cực kỳ phức tạp, phù hợp để làm ‘bài test’ cho các máy tính lượng tử Trung Quốc thể hiện khả năng.
Theo kết quả nghiên cứu được các nhà khoa học Trung Quốc đăng trên kho lưu trữ arXiv, Zuchongzhi hoàn thành việc lấy mẫu trong 1,2 giờ chỉ với 56 qubit, tức chưa chạy ‘hết công suất’ 66 qubit. Để so sánh, những siêu máy tính (thông thường) mạnh nhất thế giới phải mất ít nhất 8 năm để giải quyết vấn đề trên. Kết quả này cũng cho thấy việc Zuchongzhi sử dụng nhiều hơn 2 qubit so với Sycamore (56 so với 54 qubit) mang lại ý nghĩa rất lớn. Theo đó, mỗi qubit được thêm vào giúp cho bộ xử lý lượng tử mạnh hơn theo cấp số nhân.
Cũng phải nói thêm, tuyên bố của các nhà khoa học Trung Quốc cũng như kết quả thử nghiệm của Zuchongzhi hiện vẫn chưa được đánh giá ngang hàng (peer review) bởi các nhà khoa học khác thế giới. Tuy nhiên, nó vẫn mang đến một cái nhìn thoáng qua về tương lai, khi khả năng của máy tính lượng tử được phát huy và thay đổi mọi thứ trong cuộc sống.
Tham khảo Cosmos Magazine / ZMEScience