Các nhà vật lý cuối cùng cũng tìm thấy một vấn đề mà chỉ máy tính lượng tử mới có thể làm được | Tạp chí Quanta

Máy tính lượng tử đã sẵn sàng trở thành siêu năng lực tính toán, nhưng các nhà nghiên cứu từ lâu đã tìm kiếm một vấn đề khả thi mang lại lợi thế lượng tử - điều mà chỉ máy tính lượng tử mới có thể giải quyết được. Họ lập luận rằng chỉ khi đó công nghệ mới được coi là thiết yếu.

Họ đã tìm kiếm trong nhiều thập kỷ. “Một phần lý do khiến việc này trở nên khó khăn là vì các máy tính cổ điển làm khá tốt nhiều việc,” ông nói. John Preskill, một nhà vật lý lý thuyết tại Viện Công nghệ California.

Trong 1994, Peter Shor đã phát hiện một khả năng: một thuật toán lượng tử để phân tích các số lớn. Thuật toán của Shor rất mạnh và được nhiều người tin là có thể đánh bại tất cả các thuật toán cổ điển; khi chạy trên máy tính lượng tử, nó có khả năng phá vỡ phần lớn hệ thống bảo mật của Internet, vốn dựa vào độ cứng của việc phân tích các số lượng lớn. Nhưng thật ấn tượng, thuật toán này chỉ phù hợp với một phần hẹp các lĩnh vực nghiên cứu và có thể ngày mai ai đó sẽ tìm ra cách hiệu quả để phân tích các số lớn trên một máy cổ điển, khiến thuật toán của Shor phải tranh luận. Khả năng ứng dụng hạn chế của Shor đã khiến cộng đồng nghiên cứu tìm kiếm các trường hợp sử dụng khác cho máy lượng tử có thể thực sự giúp tạo ra những khám phá khoa học mới.

“Chúng tôi không muốn tạo ra một chiếc máy tính chỉ để thực hiện một nhiệm vụ duy nhất,” nói Choi Soonwon, một nhà vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts. “Ngoài thuật toán của Shor, chúng ta có thể làm gì khác với máy tính lượng tử?”

Như Preskill đã nói, “Chúng tôi phải tìm ra những vấn đề khó về mặt kinh điển, nhưng sau đó chúng tôi phải [chứng minh] rằng các phương pháp lượng tử sẽ thực sự hiệu quả”.

Đôi khi, các nhà nghiên cứu nghĩ rằng họ đã làm được điều đó khi khám phá ra các thuật toán lượng tử có thể giải quyết vấn đề nhanh hơn bất cứ thứ gì mà máy tính cổ điển có thể làm được. Nhưng rồi ai đó - thường là nhà nghiên cứu trẻ Đường Ewin - đã đưa ra các thuật toán cổ điển mới thông minh có thể hoạt động tốt hơn các thuật toán lượng tử.

Giờ đây, một nhóm các nhà vật lý trong đó có Preskill có thể đã đã tìm được ứng viên tốt nhất chưa vì lợi thế lượng tử. Bằng cách nghiên cứu năng lượng của một số hệ lượng tử nhất định, họ đã phát hiện ra một câu hỏi cụ thể và hữu ích mà máy lượng tử dễ trả lời nhưng vẫn khó đối với máy cổ điển. “Đây là tiến bộ lớn về lý thuyết thuật toán lượng tử,” nói Serge Bravyi, một nhà vật lý lý thuyết và nhà khoa học máy tính tại IBM. “Kết quả của họ là một lợi thế lượng tử cho một bài toán liên quan đến hóa học và khoa học vật liệu.”

Các nhà nghiên cứu cũng rất vui mừng vì công trình mới khám phá những lĩnh vực mới đầy bất ngờ của khoa học vật lý. Choi cho biết: “Khả năng mới này khác biệt về mặt chất lượng [so với Shor] và có khả năng mở ra nhiều cơ hội mới trong thế giới thuật toán lượng tử”.

Vấn đề liên quan đến tính chất của các hệ lượng tử (thường là nguyên tử) ở các trạng thái năng lượng khác nhau. Khi các nguyên tử chuyển đổi giữa các trạng thái, tính chất của chúng thay đổi. Ví dụ, chúng có thể phát ra một màu ánh sáng cụ thể hoặc trở thành từ tính. Nếu chúng ta muốn dự đoán tốt hơn các đặc tính của hệ thống ở các trạng thái năng lượng khác nhau, thì việc hiểu hệ thống khi nó ở trạng thái ít kích thích nhất, trạng thái mà các nhà khoa học gọi là trạng thái cơ bản sẽ giúp hiểu được hệ thống khi nó ở trạng thái ít bị kích thích nhất.

“Rất nhiều nhà hóa học, nhà khoa học vật liệu và nhà vật lý lượng tử đang nỗ lực tìm kiếm các trạng thái cơ bản,” cho biết Robert Hoàng, một trong những tác giả bài báo mới và là nhà khoa học nghiên cứu tại Google Quantum AI. “Nó được biết là cực kỳ khó khăn.”

Khó đến mức sau hơn một thế kỷ làm việc, các nhà nghiên cứu vẫn chưa tìm ra phương pháp tính toán hiệu quả để xác định trạng thái cơ bản của hệ thống từ những nguyên tắc đầu tiên. Dường như cũng không có cách nào để máy tính lượng tử làm được điều đó. Các nhà khoa học đã kết luận rằng việc tìm ra trạng thái cơ bản của hệ thống là điều khó khăn đối với cả máy tính cổ điển và lượng tử.

Nhưng một số hệ vật lý lại thể hiện một bối cảnh năng lượng phức tạp hơn. Khi được làm mát, các hệ thống phức tạp này sẵn sàng lắng xuống không phải ở trạng thái cơ bản mà ở mức năng lượng thấp gần đó, được gọi là mức năng lượng tối thiểu cục bộ. (Một phần của Giải Nobel Vật lý năm 2021 đã được trao cho công trình nghiên cứu về một hệ thống như vậy, được gọi là kính xoay.) Các nhà nghiên cứu bắt đầu tự hỏi liệu câu hỏi xác định mức năng lượng tối thiểu cục bộ của một hệ thống có khó trên toàn cầu hay không.

Câu trả lời bắt đầu xuất hiện vào năm ngoái, khi Chi-Fang (Anthony) Chen, một tác giả khác của bài báo gần đây, đã giúp phát triển một phương pháp mới thuật toán lượng tử có thể mô phỏng nhiệt động lực học lượng tử (nghiên cứu tác động của nhiệt, năng lượng và hoạt động lên hệ lượng tử). “Tôi nghĩ nhiều người đã [nghiên cứu] câu hỏi về bối cảnh năng lượng trông như thế nào trong các hệ lượng tử, nhưng trước đây không có công cụ nào để phân tích nó,” Huang nói. Thuật toán của Chen đã giúp mở ra cánh cửa về cách thức hoạt động của các hệ thống này.

Khi thấy công cụ mới này mạnh mẽ đến mức nào, Huang và Leo Chu, tác giả thứ tư và cuối cùng của bài báo mới, đã sử dụng nó để thiết kế một cách để máy tính lượng tử xác định trạng thái năng lượng tối thiểu cục bộ của hệ thống, thay vì theo đuổi trạng thái cơ bản lý tưởng – một cách tiếp cận chỉ tập trung vào loại câu hỏi mà các nhà nghiên cứu điện toán lượng tử đang tìm kiếm. “Bây giờ chúng ta có một vấn đề: tìm ra một lượng năng lượng cục bộ, điều này vẫn còn khó khăn về mặt cổ điển, nhưng điều chúng ta có thể nói là dễ dàng về mặt lượng tử,” Preskill nói. “Vì vậy, điều đó đưa chúng tôi vào đấu trường mà chúng tôi muốn có được lợi thế lượng tử.”

Được dẫn dắt bởi Preskill, các tác giả không chỉ chứng minh sức mạnh của phương pháp mới của họ trong việc xác định trạng thái năng lượng tối thiểu cục bộ của hệ thống – tiến bộ lớn trong lĩnh vực vật lý lượng tử – mà còn chứng minh rằng đây cuối cùng là một vấn đề mà máy tính lượng tử có thể thể hiện được giá trị của chúng. Huang nói: “Bài toán tìm mức tối thiểu cục bộ có lợi thế lượng tử.

Và không giống như các ứng cử viên trước đây, ứng cử viên này có lẽ sẽ không bị hạ bệ bởi bất kỳ thuật toán cổ điển mới nào. “[Nó] khó có thể bị lượng tử hóa,” Choi nói. Nhóm của Preskill đã đưa ra những giả định rất hợp lý và thực hiện một số bước nhảy vọt hợp lý; nếu một thuật toán cổ điển có thể đạt được kết quả tương tự, điều đó có nghĩa là các nhà vật lý chắc chắn đã sai ở nhiều thứ khác. “Đó sẽ là một kết quả gây sốc,” Choi nói. “Tôi sẽ rất phấn khích khi được xem nó, nhưng sẽ quá sốc để tin được.” Công trình mới trình bày một ứng cử viên dễ hiểu và đầy hứa hẹn để chứng minh lợi thế lượng tử.

Nói rõ hơn, kết quả mới vẫn mang tính chất lý thuyết. Hiện tại, việc trình diễn phương pháp mới này trên máy tính lượng tử thực tế là không thể. Sẽ mất thời gian để chế tạo một cỗ máy có thể kiểm tra kỹ lưỡng lợi thế lượng tử của bài toán. Vì vậy, đối với Bravyi, công việc chỉ mới bắt đầu. Ông nói: “Nếu bạn nhìn lại những gì đã xảy ra cách đây 1,000 năm, chúng tôi chỉ có một vài máy tính lượng tử qubit và hiện tại chúng tôi đã có hàng trăm hoặc thậm chí 10 máy tính qubit. “Rất khó để dự đoán điều gì sẽ xảy ra sau XNUMX hay XNUMX năm nữa. Đó là một lĩnh vực rất năng động.”

Điều chỉnh: 12 Tháng ba, 2024
Bài viết này đã được chỉnh sửa để mô tả rõ ràng hơn việc tìm kiếm một bài toán có lợi thế lượng tử.