Máy tính lượng tử: Không còn là viễn tưởng, ứng dụng đầu tiên đã xuất hiện

[Dũng Đỗ]

Máy tính lượng tử đạt ứng dụng thực tiễn đầu tiên: Tạo ra thứ mà máy tính thông thường chỉ 'giả vờ' có – số ngẫu nhiên thực sự

Máy tính lượng tử, với tiềm năng giải quyết những bài toán bất khả thi đối với siêu máy tính mạnh nhất, vừa đạt được một cột mốc quan trọng: thực hiện thành công ứng dụng thực tiễn đầu tiên. Đó là khả năng tạo ra các chuỗi số ngẫu nhiên hoàn toàn và được chứng nhận – một điều mà máy tính cổ điển về cơ bản không thể làm được.

Những điểm chính:

• Các nhà khoa học đã thực hiện thành công ứng dụng thực tiễn đầu tiên của máy tính lượng tử: tạo ra chuỗi số ngẫu nhiên được chứng nhận.
• Máy tính cổ điển chỉ có thể mô phỏng sự ngẫu nhiên bằng thuật toán, có thể bị dự đoán hoặc giải mã.
• Máy tính lượng tử (Quantinuum H2, 56 qubit) tạo ra sự ngẫu nhiên dựa trên các nguyên tắc cơ học lượng tử, được siêu máy tính xác thực là không thể đoán trước.
• Giao thức do Scott Aaronson và Shih-Han Hung đề xuất năm 2018, dựa trên ý tưởng tương tự "ưu thế lượng tử".
• Ứng dụng quan trọng trong mã hóa, bảo mật dữ liệu, tài chính và các lĩnh vực cần sự ngẫu nhiên thực sự.

Tại sao tạo số ngẫu nhiên thực sự lại quan trọng?

Việc tạo ra các chuỗi số ngẫu nhiên là nền tảng cho rất nhiều ứng dụng quan trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực mã hóa và bảo mật dữ liệu. Tuy nhiên, máy tính cổ điển, hoạt động dựa trên các thuật toán xác định, không thể tạo ra sự ngẫu nhiên thực sự. Chúng chỉ có thể mô phỏng sự ngẫu nhiên thông qua các thuật toán phức tạp (tạo số giả ngẫu nhiên).

Một số giải pháp sáng tạo đã được sử dụng để cố gắng tạo ra sự ngẫu nhiên "gần đúng" hơn, ví dụ như Cloudflare từng sử dụng hình ảnh từ các đèn dung nham (lava lamp). Nhưng về bản chất, nếu một quy trình được lập trình bằng máy tính cổ điển, nó vẫn có thể bị dự đoán hoặc bị can thiệp, giải mã.

Giao thức ngẫu nhiên được chứng nhận và máy tính lượng tử

Ứng dụng mới này dựa trên "giao thức ngẫu nhiên được chứng nhận" (certified randomness protocol) do nhà khoa học máy tính Scott Aaronson và Shih-Han Hung đề xuất vào năm 2018. Giao thức này khai thác các đặc tính độc đáo của cơ học lượng tử.

Về cơ bản, nó tương tự như các thử nghiệm "ưu thế lượng tử" (quantum supremacy) – nơi máy tính lượng tử thực hiện các phép tính mà siêu máy tính cổ điển phải mất hàng triệu hoặc hàng tỷ năm mới giải được. Tuy nhiên, thay vì chỉ để chứng minh sức mạnh tính toán, giao thức này tạo ra một kết quả hữu ích: chuỗi số ngẫu nhiên không thể đoán trước.

Điểm mấu chốt là, nếu có bất kỳ ai cố gắng theo dõi hoặc thao túng quá trình tạo số ngẫu nhiên trên máy tính lượng tử, bản chất lượng tử của hệ thống sẽ bị phá vỡ, và kết quả đầu ra sẽ không còn được xem là "ngẫu nhiên được chứng nhận" nữa.

"Việc hiện thực hóa giao thức không chỉ là cột mốc quan trọng, mà còn là bước đi đầu tiên để ứng dụng máy tính lượng tử vào việc tạo ra các chuỗi bit ngẫu nhiên phục vụ cho mã hóa và bảo mật trong thực tế," Aaronson chia sẻ.

Thử nghiệm thực tế với Quantinuum H2

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện thử nghiệm bằng cách sử dụng máy tính lượng tử Quantinuum System Model H2, một hệ thống 56 qubit dựa trên công nghệ ion bẫy, được vận hành từ xa.

Quá trình gồm hai bước:

1. Đưa các "thách thức" toán học vào máy tính lượng tử, buộc hệ thống phải thực hiện các phép đo lượng tử ngẫu nhiên để đưa ra kết quả.
2. Sử dụng các siêu máy tính cổ điển mạnh nhất thế giới để kiểm tra, phân tích kết quả đầu ra, nhằm chứng thực rằng chuỗi số được tạo ra thực sự là ngẫu nhiên và không thể bị dự đoán bởi bất kỳ thuật toán cổ điển nào.

Ý nghĩa và ứng dụng tương lai

"Chúng tôi đang chứng kiến một cột mốc quan trọng đưa điện toán lượng tử bước vào lĩnh vực ứng dụng thực tế," ông Rajeeb Hazra, Chủ tịch và CEO của Quantinuum, chia sẻ. "Việc tạo ra chuỗi số ngẫu nhiên được chứng nhận không chỉ chứng minh sức mạnh của công nghệ ion bẫy của chúng tôi, mà còn mở ra chuẩn mực mới cho bảo mật lượng tử và các mô phỏng cao cấp trong ngành tài chính, sản xuất và nhiều lĩnh vực khác."

Gần đây, kiến trúc máy tính lượng tử cũng đã được dùng để mô phỏng một trong những viễn cảnh về sự kết thúc của vũ trụ.

Mặc dù một hệ thống máy tính lượng tử đa năng, có khả năng giải quyết mọi vấn đề, vẫn còn là mục tiêu xa vời, những bước đi đầu tiên trong việc hiện thực hóa các ứng dụng thực tế đã chính thức bắt đầu. Việc tạo ra số ngẫu nhiên được chứng nhận là minh chứng rõ ràng cho thấy máy tính lượng tử không chỉ là một công cụ lý thuyết mà còn có thể mang lại những giá trị cụ thể, đặc biệt trong các lĩnh vực đòi hỏi sự ngẫu nhiên và bảo mật tuyệt đối. Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí khoa học uy tín Nature.

#Máytínhlượngtử