Drama lượng tử: Google khẳng định Ưu thế lượng tử, IBM liền mang toàn giáo sư ra để phản bác

Đặt ra câu hỏi liệu Google đã đạt được Ưu thế Lượng tử chưa, bạn sẽ nhận được hai câu trả lời trái ngược nhau; hai câu trả lời đại diện cho hai quan điểm khác nhau về dấu mốc được coi là quan trọng nhất ngành nghiên cứu máy tính.

Ngày hôm qua, Google công bố báo cáo khoa học mới , nêu bật rằng họ đã đạt được Ưu thế Lượng tử, dấu mốc cho thấy máy tính lượng tử đã vượt qua máy tính cổ điển. Cụ thể hơn, hệ thống lượng tử mang tên Sycamore của Google đã vượt qua siêu máy tính mạnh, giải được bài toán khó trong vỏn vẹn 200 giây - một vấn đề toán học khiến siêu máy tính phải mất 10.000 năm mới giải xong. Đúng là máy tính lượng tử chưa có giá trị ứng dụng thực tiễn, nhưng trong những tác vụ nhất định, máy tính lượng tử đã chiếm phần hơn.

Từng đó là đủ để Google xưng bá, tuyên bố mình chiếm thế thượng phong, có được Ưu thế Lượng tử trong cuộc đua giữa những ông lớn ngành công nghệ như Intel, Microsoft, Alibaba hay IBM.

Thế nhưng không phải ai cũng gật đầu đồng tình với báo cáo mới, ánh mắt hoài nghi tới từ đối thủ của Google là IBM. Cách đây hơn 1 tháng, báo cáo khoa học của Google rò rỉ, và trước cả lúc Google có tuyên bố chính thức, IBM đã phản bác lại kết quả Google đưa ra.

IBM đăng tải một báo cáo khoa học của riêng mình, nêu lên những luận cứ chỉ ra rằng siêu máy tính mạnh nhất thế giới - con quái vật tính toán Summit của IBM gần như có thể đuổi kịp sức mạnh tính toán của Sycamore. Nếu như cho Summit thời gian chuẩn bị, nó chỉ mất có 2,5 ngày để tính được vấn đề toán học mà Google cho là “mất 10.000 năm mới xong”. Sự chênh lệch tới 1.460.000 lần, giữa 2,5 và 3.650.000 ngày, khiến ta đặt dấu hỏi.

Một dấu hỏi mà chính IBM đã nói hộ chúng ta, rằng tuyên bố của Google cần được phân tích “với một cái nhìn thận trọng đầy hoài nghi”.

Từ bao giờ IBM và Google, hay ông lớn của ngành nghiên cứu máy tính lượng tử, lại có lời qua tiếng lại như thế? Phản bác của IBM nhắc cho ta nhớ tới thực tại ít màu hồng: không phải đột phá khoa học nào cũng được diễu hành trên phố, và cụm từ “Ưu thế Lượng tử” - một thuật ngữ mới được 7 năm tuổi - phù hợp với chức năng phô trương hơn là đánh dấu mốc quan trọng trong ngành.

Đã nhiều thập kỷ nay, máy tính lượng tử vẫn chưa tìm được cú bứt phá. Trên lý thuyết, máy tính cổ điển 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. Với ba trạng thái hiển thị dữ liệu thì trên lý thuyết, máy tính lượng tử mạnh hơn máy tính cổ điển.

Thế nhưng nhiều năm nay, ta chưa thấy sự việc này diễn ra. Cho tới thời điểm chiều tối ngày hôm qua, không ai dám xưng bá với danh hiệu “Ưu thế Lượng tử - Quantum Supremacy”.

Thuật ngữ ấn tượng này có nghĩa là gì? “Hậu quả” của nó ra sao?

Năm 2012, nhà vật lý lý thuyết John Preskill công tác tại Viện Công nghệ California thay đổi cách chúng ta dùng danh từ: ông sử dụng thuật ngữ “quantum supremacy” để mô tả khoảnh khắc máy tính lượng tử vượt mặt siêu máy tính mạnh nhất mà ta có. Cái tên kêu ngay lập tức thu hút được sự chú ý, nhưng những dòng suy nghĩ xoay quanh nó lại mập mờ, không nhất quán.

Và mập mờ suốt 7 năm trời, khiến ngày hôm nay IBM phải lên tiếng phản bác kết quả “ưu thế lượng tử” mà Google vừa đạt được.

Đầu tiên, phải chỉ ra rằng “ưu thế” chỉ thời khắc máy tính lượng tử vượt qua máy tính cổ điển, chứ không phải giải thành công một vấn đề toán học mà máy tính cổ điển không giải được. Bởi lẽ nếu có thời gian đủ dài, máy tính cổ điển có thể giải được bất cứ phép toán nào. Theo lời giáo sư Thomas Wong tới từ Đại học Creighton, thì “nếu có đủ thời gian, máy tính cổ điển và máy tính lượng tử đều có thể giải xong được một vấn đề toán học”.

Điều đó khiến cho định nghĩa về ưu thế phải được viết rõ ràng hơn: đó là khi máy tính lượng tử giải được một bài toán mà máy tính cổ điển không thể làm xong trong một khoảng thời gian thực tế. Đến vậy rồi mà định nghĩa vẫn cứ mập mờ, định nghĩa “thực tế” của IBM và Google lại khác nhau.

Với Google, mất 10.000 năm để Summit giải xong bài toán, trong khi đó Sycamore lại chỉ mất có 200 giây, thì con số 10.000 năm kia là phi thực tế. Bởi lẽ đó, họ tuyên bố đạt được Ưu thế Lượng tử.

Hóa ra trong nghiên cứu máy tính, "tốc độ" mang tính tương đối

Với IBM, họ không tin đứa con cưng Summit của mình thất bại thảm hại tới vậy. Tính toán lại, IBM cho thấy (và viết hẳn báo cáo khoa học) rằng IBM có thể giải phép tính Google đưa ra trong có 2,5 ngày. Nhiều chuyên gia máy tính nhận định những gì IBM nói ra hoàn toàn có cơ sở. Giáo sư Scott Aaronson tới từ Đại học Texas nói: “Với tôi, tuyên bố của IBM hoàn toàn có cơ sở”.

Vậy con số 2,5 ngày đã đủ thực tế chưa? Có và không. Với một số tác vụ nhất định, 2,5 ngày là nhanh, nhưng với một vài tác vụ khác thì không. Vậy nên khi những nhà khoa học máy tính nói về Ưu thế Lượng tử, về một khoảng thời gian thực tế để máy tính lượng tử và cổ điển giải xong bài toán, họ luôn có trong đầu ý tưởng cụ thể về nhanh và chậm.

Họ phân biệt nhanh tức là thời gian đa thức - khi thời gian là đa thức đơn giản với kích cỡ tương đương với lệnh đầu vào, và chậm là khi giải bài với thời gian số mũ. Những chương trình máy tính sẽ tiếp tục chạy nhanh khi phải giải quyết số có giá trị lớn; khi vấn đề toán học cần giải quyết thêm phần phức tạp, những chương trình máy tính chạy chậm lại trông thấy.

Trong báo cáo của Google, họ cho thấy máy tính 53 qubit thực hiện phép tính đặc biệt có tên “lấy mẫu mạch điện ngẫu nhiên” với thời gian đa thức. Không thấy có bằng chứng cho thấy máy tính cổ điển thực hiện được bài toán với khoảng thời gian nhanh hơn thời gian đa thức.

Theo lời giáo sư William Fefferman tới từ Đại học Chicago, đây mới là cớ để Google khẳng định Ưu thế Lượng tử, chứ không phải những con số thực tế của 10.000 ngày hay 2,5 ngày.

Còn một điểm quan trọng nữa cần được đề cập, đó là cỗ máy lượng tử của Google giải toán theo cách khác biệt so với máy tính cổ điển. Điều này có nghĩa mỗi khi thêm vào máy tính lượng tử chỉ 1 qubit, máy tính cổ điển cũng phải “vắt chân lên cổ” mà đuổi theo, cần tăng kích cỡ lên gấp đôi để có sức mạnh tính toán tương xứng.

Hiện tại, Summit của IBM đã có kích cỡ bằng 2 sân bóng rổ; khi máy tính lượng tử đạt cỡ 70 qubit - nhiều khả năng sẽ xuất hiện trong vài năm tới, siêu máy tính sẽ phải có kích cỡ của một thành phố để hai cỗ máy đối đầu được với nhau.

Giáo sư Aaronson trích lời một người bạn của ông, rằng mối quan hệ giữa máy tính cổ điển và máy tính lượng tử cũng giống như hồi thập niên 90, khi kiện tướng cờ vua Garry Kasparov đối đầu với siêu máy tính Deep Blue của IBM. Kasparov có thể so găng với Deep Blue được vài hiệp, nhưng rồi chắc chắn trí tuệ của kiện tướng thế giới sẽ bị thuật toán của Deep Blue bỏ xa.

“Kasparov có thể chống cự dũng mãnh trong giai đoạn chuyển mình này, chắc cũng kéo dài được một năm hoặc hơn”, giáo sư Aaronson nói. “Nhưng nếu xét tình huống này theo hướng cơ bản, thì kiện tướng chắc chắn sẽ thua”.

Google công bố Ưu thế Lượng tử, IBM cho rằng ông lớn ngành công nghệ đã "ăn gian" để làm báo cáo khoa học thêm phần thuyết phục. Các nhà khoa học khác mỗi người lại đứng về một phía. Thế nhưng Khoa học vẫn kiên nhẫn chờ đợi, vì biết trước sau gì cũng có kẻ đúng người sai, cũng sẽ lại phát triển tiếp mà thôi.

Theo Dink