Bài kiểm tra mới hé lộ thời điểm máy tính lượng tử có thể “vượt mặt” cả siêu máy tính mạnh nhất

Một chuẩn benchmark mới do các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Jülich (Đức) vừa công bố đã đưa ra cách thức đo lường hiệu suất các bộ xử lý lượng tử (QPU), trong bối cảnh công nghệ điện toán lượng tử đang tiệm cận khả năng vượt qua giới hạn của máy tính cổ điển. Đây được xem là bước tiến quan trọng giúp xác định khi nào các hệ thống lượng tử thực sự có thể giải các bài toán vượt ngoài tầm với của siêu máy tính hiện tại.

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành đánh giá 19 QPU từ 5 nhà cung cấp lớn: IBM, Quantinuum, IonQ, Rigetti và IQM. Các QPU này được thử nghiệm dựa trên hai tiêu chí: độ rộng (số lượng qubit) và độ sâu (độ phức tạp và thời gian thực thi của mạch lượng tử, thông qua số lớp gate 2-qubit). Trong đó, IBM dẫn đầu ở hạng mục độ sâu, còn Quantinuum nổi bật ở độ rộng – với chip H2-1 vượt qua bài benchmark ở mức 56 qubit, một ngưỡng mà ngay cả các hệ thống HPC cổ điển cũng không thể mô phỏng chính xác.

Bài test trọng tâm trong chuẩn benchmark này là bài toán MaxCut, một dạng bài toán tổ hợp tối ưu nổi tiếng trong ngành tin học lý thuyết, cho phép dễ dàng tăng mức độ khó bằng cách mở rộng kích thước đồ thị. Một QPU bị xem là “thất bại” khi kết quả đầu ra trở nên ngẫu nhiên – tương đương với trạng thái trộn hoàn toàn, không còn giữ được thông tin lượng tử có ý nghĩa.

Trong các thử nghiệm cụ thể, chip IBM Fez thể hiện khả năng duy trì thông tin lượng tử đến gần lớp thứ 300 trong một bài toán 100 qubit với gần 1 triệu cổng 2-qubit – đứng đầu ở độ sâu. Ngược lại, chip Ankaa-2 của Rigetti là thiết bị có hiệu năng thấp nhất.

Điểm đặc biệt của chuẩn benchmark mới là tính khả chuyển và dễ triển khai. Nó không phụ thuộc vào nền tảng cụ thể, có thể chạy trên nhiều hệ thống lượng tử khác nhau, và sử dụng thuật toán LR-QAOA (Linear Ramp Quantum Approximate Optimization Algorithm) để đảm bảo kết quả đo được là thực chất, không chỉ là hiệu ứng nhiễu.

Một trong những phát hiện quan trọng nhất đến từ chip Quantinuum H2-1, khi hệ thống này vẫn cho ra kết quả hợp lệ ở mức 56 qubit và hơn 4.600 cổng 2-qubit, vượt qua ngưỡng khả năng mô phỏng của các siêu máy tính hiện tại – một dấu hiệu ban đầu cho thấy ưu thế lượng tử (quantum advantage) đã bắt đầu hình thành, ít nhất ở một số ngữ cảnh bài toán cụ thể.

Tuy nhiên, chuẩn benchmark này cũng không hoàn hảo. Các nhà nghiên cứu thừa nhận rằng hiệu suất QPU còn phụ thuộc vào lịch trình tham số cố định, thay vì điều chỉnh động trong quá trình tính toán – điều này có thể giới hạn tiềm năng tối ưu hóa. Do đó, họ khuyến nghị rằng chuẩn này nên được dùng song song với các đề xuất benchmark khác, và “chuẩn nào có bộ quy tắc rõ ràng nhất, hữu ích nhất sẽ là thứ còn lại sau cùng.”