Máy tính lượng tử lần đầu tạo ra dãy số ngẫu nhiên được chứng nhận

Một nhóm chuyên gia từ JPMorganChase, Quantinuum, Đại học Texas tại Austin cùng các phòng thí nghiệm quốc gia ở Mỹ vừa đạt được bước đột phá trong ngành điện toán lượng tử. Họ đã dùng máy tính lượng tử 56 qubit để tạo ra các dãy số ngẫu nhiên và chứng minh rằng chúng thực sự ngẫu nhiên – điều mà máy tính cổ điển không thể tự làm được.

Điều đặc biệt của kết quả này nằm ở khái niệm "số ngẫu nhiên được chứng nhận" – tức là không chỉ khó đoán, mà còn được tạo ra mới hoàn toàn và có thể kiểm chứng bằng toán học. Các máy tính cổ điển vốn chỉ dựa vào phần cứng tạo số ngẫu nhiên, vốn có thể bị can thiệp. Nhưng với phương pháp lượng tử mới, ngay cả khi có ai đó cố ý phá hoại quá trình, kết quả cũng không thể bị làm giả và vẫn phải vượt qua bước kiểm định xác thực.

Ý tưởng về giao thức tạo số ngẫu nhiên được chứng nhận được đề xuất từ năm 2018 bởi giáo sư khoa học máy tính Scott Aaronson, hiện đang giảng dạy tại Đại học Texas ở Austin. Ông cùng cộng sự Shih-Han Hung đã hỗ trợ nhóm thực nghiệm hiện thực hóa điều này.

Trong thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã sử dụng từ xa hệ thống máy tính lượng tử H2-1 của Quantinuum. Họ áp dụng kỹ thuật gọi là random circuit sampling (RCS) – một phương pháp rất khó để mô phỏng trên máy tính cổ điển. Quá trình gồm hai bước: đầu tiên, họ gửi đến máy lượng tử một loạt thử thách dựa trên hạt giống ngẫu nhiên. Máy lượng tử phải giải quyết các thử thách này bằng cách chọn ngẫu nhiên trong nhiều kết quả khả dĩ. Sau đó, các siêu máy tính cổ điển sẽ kiểm tra đầu ra để xác minh tính ngẫu nhiên.

Để xác thực 71.313 bit ngẫu nhiên, nhóm đã sử dụng nhiều siêu máy tính có tổng hiệu suất lên đến 1.1 ExaFLOPS. Điều này đảm bảo rằng không thể nào tạo ra các bit tương tự bằng phương pháp cổ điển trong điều kiện thực tế.

Ông Marco Pistoia, Giám đốc nghiên cứu công nghệ toàn cầu tại JPMorganChase, đánh giá đây là một dấu mốc quan trọng vì nó chứng minh máy tính lượng tử đã có thể giải quyết một vấn đề thực tiễn mà máy tính cổ điển không đủ khả năng.

Hệ thống H2 của Quantinuum được nâng cấp lên 56 qubit vào tháng 6/2024. Nhờ khả năng kết nối mọi qubit với nhau và độ chính xác cao, hệ thống này có thể thực hiện RCS vượt trội hơn hẳn các máy trước đó. Chính nâng cấp này, kết hợp với giao thức của Aaronson, đã mở đường cho thành công đột phá.

Giám đốc Quantinuum, ông Rajeeb Hazra, gọi đây là "cột mốc mang tính bước ngoặt", đưa điện toán lượng tử đến gần hơn với các ứng dụng thực tế.

Kết quả này còn nhờ vào năng lực của các trung tâm tính toán hàng đầu do Bộ Năng lượng Hoa Kỳ quản lý như Oak Ridge, Argonne và Lawrence Berkeley. Theo ông Travis Humble từ Phòng chương trình người dùng điện toán lượng tử tại ORNL, các cơ sở này đã đóng vai trò then chốt trong việc xử lý và xác minh dữ liệu.

Cho đến nay, máy tính lượng tử thường được xem là công nghệ tiềm năng nhưng thiếu ứng dụng cụ thể. Với thí nghiệm này, các nhà khoa học đã cho thấy máy lượng tử không chỉ là lý thuyết – nó đã có thể làm được điều mà không một máy tính cổ điển nào có thể thực hiện. Đây là bước đệm quan trọng cho các ứng dụng trong bảo mật, mã hóa và công nghệ tương lai.