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

Một nhóm nghiên cứu gồm các chuyên gia đến từ JPMorganChase, Quantinuum, Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và Đại học Texas (Hoa Kỳ) vừa đạt cột mốc quan trọng trong lĩnh vực điện toán lượng tử. Trong bài báo mới đăng trên tạp chí Nature , họ mô tả cách sử dụng máy tính lượng tử 56 qubit để tạo ra các dãy số ngẫu nhiên, sau đó chứng minh được rằng những con số này thực sự ngẫu nhiên nhờ các siêu máy tính cổ điển mạnh mẽ. Thành tựu này – được gọi là chứng nhận ngẫu nhiên (certified randomness) – hứa hẹn ứng dụng trong mật mã học, bảo mật và đảm bảo tính công bằng.

Khác với các con số ngẫu nhiên thông thường chỉ khó đoán, chứng nhận ngẫu nhiên nghĩa là dữ liệu được tạo mới hoàn toàn và được xác minh bằng toán học. Máy tính cổ điển không thể tự làm điều này, mà thường phải dựa vào phần cứng tạo số ngẫu nhiên – vốn có thể bị can thiệp. Với phương pháp mới, ngay cả khi ai đó cố tình tác động vào máy tính lượng tử, họ cũng không thể giả mạo tính ngẫu nhiên mà vẫn vượt qua được quá trình chứng nhận.

Ý tưởng của giao thức này do Giáo sư khoa học máy tính Scott Aaronson (Đại học Texas tại Austin) đề xuất. Ông cùng cộng sự Shih-Han Hung đã hỗ trợ nhóm thực nghiệm triển khai.
“ Khi tôi đề xuất giao thức này vào năm 2018, tôi không ngờ phải chờ đến hôm nay mới thấy nó được hiện thực hóa ,” Aaronson chia sẻ. “ Việc hoàn thiện giao thức và chứng minh nó hoạt động là bước đầu tiên để dùng máy tính lượng tử tạo ra các bit ngẫu nhiên được chứng nhận phục vụ ứng dụng mật mã thực tế .”

Trong thí nghiệm, nhóm nghiên cứu truy cập máy tính lượng tử Quantinuum System Model H2-1 qua Internet, áp dụng phương pháp lấy mẫu mạch ngẫu nhiên (Random Circuit Sampling – RCS) – vốn cực kỳ khó mô phỏng bằng máy tính cổ điển. Quy trình gồm hai bước:

1. Gửi cho máy tính lượng tử một loạt “mạch thách thức” được tạo từ một lượng nhỏ hạt giống ngẫu nhiên. Máy tính lượng tử phải chọn câu trả lời ngẫu nhiên từ nhiều khả năng.
2. Các siêu máy tính cổ điển sẽ kiểm tra kết quả để xác nhận tính ngẫu nhiên thực sự.

Nhóm đã dùng nhiều siêu máy tính với tổng hiệu năng 1,1 ExaFLOPS để chứng nhận 71.313 bit entropy – đồng nghĩa họ đã chứng minh các bit này không thể tạo ra bằng máy tính cổ điển trong điều kiện thực tế.

“Đây là cột mốc quan trọng, chứng minh máy tính lượng tử đã giải được một bài toán thực tế vượt xa khả năng của siêu máy tính ngày nay ,” ông Marco Pistoia – Trưởng bộ phận Nghiên cứu Công nghệ Ứng dụng Toàn cầu tại JPMorganChase – cho biết.

Máy tính lượng tử H2 được nâng cấp lên 56 qubit từ tháng 6/2024. Nhờ độ chính xác cao và khả năng cho mọi qubit kết nối trực tiếp với nhau, hệ thống này thực hiện RCS hiệu quả vượt trội so với thế hệ trước. Kết hợp cùng giao thức của Aaronson, bước đột phá đã trở thành hiện thực.

Theo ông Travis Humble, Giám đốc Chương trình Người dùng Máy tính Lượng tử tại ORNL, kết quả này có được nhờ sức mạnh từ các cơ sở siêu máy tính hàng đầu của Bộ Năng lượng Mỹ đặt tại Oak Ridge, Argonne và Lawrence Berkeley.

Trước đây, máy tính lượng tử mới chỉ chứng minh được khả năng vượt trội về mặt lý thuyết so với máy tính cổ điển. Nhưng thí nghiệm lần này đã cho thấy chúng thực sự có thể giải quyết một vấn đề thực tế mà máy tính cổ điển hoàn toàn bó tay.