Một thử thách bất ngờ đối với ưu thế lượng tử. Các nhà vật lý từ Trung tâm Vật lý Lượng tử Tính toán thuộc Viện Flatiron thuộc Quỹ Simons, cùng với các đồng nghiệp từ Đại học Boston, đã chứng minh rằng một bài toán mà trước đây được cho là nằm ngoài khả năng của máy tính cổ điển có thể được mô phỏng trên một máy thông thường – và thậm chí trên một chiếc laptop.
Cuộc tranh luận bắt đầu vào tháng 3 năm 2025, khi một nhóm các nhà nghiên cứu công bố một tuyên bố mang tính cách mạng trên tạp chí Science: họ đã mô phỏng thành công hành vi của một hệ lượng tử phức tạp trên máy tính lượng tử và tuyên bố điều này không thể lặp lại bằng các phương tiện cổ điển. Joseph Tindall, một nhà khoa học tại Flatiron, đã nhướn mày một cách hoài nghi khi nghe tuyên bố này. Ông và các đồng nghiệp đã quyết định kiểm tra xem bài toán này thực sự không thể giải được hay không.
Trọng tâm của nghiên cứu là mô phỏng các hệ gồm hàng trăm qubit tương tác, được bố trí trên các lưới vuông, hình lập phương và các lưới đều đặn khác. Đây chính là bài toán mà đối thủ cho là bất khả thi đối với tính toán cổ điển – được cho là sẽ đòi hỏi hàng chục nghìn năm tính toán liên tục.
Giải pháp nằm ở các mạng tensor – một công cụ toán học có khả năng “nén” hàm sóng khổng lồ của hệ lượng tử, giống như một kho lưu trữ ZIP nén các tệp. Điều này làm giảm đáng kể lượng thông tin cần xử lý. Tindall đã thực hiện các phép tính sơ bộ trên một chiếc laptop, sử dụng thư viện ITensor do chính các đồng nghiệp của ông tại Trung tâm phát triển. Kết quả thật đáng kinh ngạc: bài toán mà máy tính lượng tử mất hàng giờ để xử lý, một chiếc laptop cổ điển đã giải quyết chỉ trong 30 phút. Trên một số laptop, các phép tính mất tới hai giờ và chỉ yêu cầu 40 megabyte RAM – ít hơn dung lượng của một video đơn giản trên mạng xã hội.
Kỹ thuật cốt lõi là thuật toán lan truyền niềm tin (belief propagation) được điều chỉnh, có nguồn gốc từ những năm 1980. Tindall và nhóm của ông đã sửa đổi phương pháp cũ này cho các hệ lượng tử, khai thác được tiềm năng mà không ai nhìn thấy trong nhiều thập kỷ. Phương pháp này rẻ hơn và nhanh hơn các phương pháp thay thế, mặc dù có độ chính xác hơi thấp hơn một chút – nhưng đủ chính xác cho các tác vụ thực tế.
Điều đặc biệt ấn tượng là kết quả không chỉ trùng khớp với các dự đoán lý thuyết mà còn với dữ liệu thu được từ một máy tính lượng tử thực tế. Độ chính xác đạt đến mức mà khoa học cổ điển từng cho là không thể đạt được. Điều này có nghĩa là ưu thế lượng tử trong bài toán này – hoặc là rất hẹp, hoặc là không tồn tại.
Các nhà khoa học nhấn mạnh kết luận chính: tính toán cổ điển và tính toán lượng tử không phải là kẻ thù, mà là đồng minh. Các mô phỏng cổ điển giúp làm sáng tỏ những tuyên bố phóng đại về ưu thế lượng tử và hiểu rõ hơn mục đích thực sự của các thiết bị lượng tử. Đồng thời, mỗi bước đột phá trong phần cứng lượng tử lại truyền cảm hứng cho các nhà phát triển tạo ra các phương pháp và thuật toán cổ điển mới.
Hiện tại, nhóm của Tindall đang chuyển sang một thử thách phức tạp hơn: mô phỏng các electron có khả năng di chuyển giữa các nút của mạng lưới. Các hệ thống này còn phức tạp hơn nữa và gần gũi hơn với các vật liệu lượng tử thực tế – nam châm, chất siêu dẫn, các chất kỳ lạ mà các nhà vật lý muốn tổng hợp và hiểu. Nghiên cứu cho thấy ranh giới giữa thế giới cổ điển và lượng tử mờ nhạt hơn chúng ta tưởng, và cả hai phương pháp sẽ hỗ trợ lẫn nhau trên con đường đạt được những đột phá thực sự.
