Máy tính lượng tử từ lâu đã được xem là có tiềm năng thực hiện những điều mà siêu máy tính mạnh nhất hiện nay cũng phải “bó tay”. Tuy nhiên, để đạt đến cấp độ đó vẫn còn là một chặng đường dài. Mới đây, các nhà khoa học đã thực hiện thành công một ứng dụng được coi là thực tiễn đầu tiên của máy tính lượng tử: tạo ra chuỗi số ngẫu nhiên hoàn toàn – một điều mà máy tính cổ điển không thể làm được.
Ứng dụng này dựa trên “giao thức ngẫu nhiên được chứng nhận” (certified randomness protocol) do Scott Aaronson và Shih-Han Hung đề xuất. Về cơ bản, nó tương tự như các thử nghiệm “ưu thế lượng tử” – nơi máy tính lượng tử thực hiện các phép tính mà siêu máy tính phải mất rất lâu mới giải được. Tuy nhiên, thay vì chỉ nhằm mục đích chứng minh khả năng xử lý, giao thức này hướng đến các ứng dụng cụ thể, đặc biệt là trong các lĩnh vực cần số ngẫu nhiên như mã hóa và bảo mật dữ liệu.
“Lúc tôi đề xuất giao thức này vào năm 2018, tôi không biết phải chờ bao lâu để được thấy nó được thử nghiệm thực tế,” Aaronson chia sẻ. “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.”
Khác với máy tính lượng tử, máy tính cổ điển không thể tạo ra số ngẫu nhiên thực sự – chúng chỉ mô phỏng ngẫu nhiên bằng các thuật toán. Một số giải pháp “dị” đã từng được dùng để tạo ngẫu nhiên, như… dùng hình ảnh từ đèn dung nham (lava lamp). Nhưng dù cách làm sáng tạo đến đâu, nếu đã lập trình bằng máy tính cổ điển thì vẫn có thể bị can thiệp và giải mã. Máy tính lượng tử thì khác: nếu có ai đó cố thao túng quá trình, kết quả sẽ không còn được xem là “ngẫu nhiên được chứng nhận”.
Giao thức bao gồm hai bước. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu đưa các “thách thức” vào máy tính lượng tử, buộc hệ thống phải chọn ngẫu nhiên giữa nhiều phương án để giải quyết. Sau đó, kết quả được kiểm tra bởi các siêu máy tính – bao gồm một số hệ thống mạnh nhất thế giới – nhằm chứng thực rằng chuỗi số đó thực sự không thể đoán trước. Họ sử dụng máy tính lượng tử trapped-ion 56 qubit mang tên Quantinuum System Model H2, vận hành từ xa và cho ra kết quả ngẫu nhiên thực sự.
“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 trapped-ion 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, các nhà nghiên cứu thậm chí còn dùng kiến trúc máy tính lượng tử để mô phỏng một trong những viễn cảnh kết thúc của vũ trụ. Mặc dù một hệ thống máy tính lượng tử hoạt động toàn diện vẫn còn là điều xa vời, những bước đi đầu tiên trong việc hiện thực hóa khả năng “tính toán kiểu mới” này đã chính thức bắt đầu.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature.
Anh Việt