Ưu thế lượng tử, ưu việt lượng tử và hữu dụng lượng tử: các từ này có nghĩa là gì

Ba cụm từ liên tục xuất hiện trong các bài viết về điện toán lượng tử: ưu việt lượng tử (quantum supremacy), ưu thế lượng tử (quantum advantage) và hữu dụng lượng tử (quantum utility). Đôi khi chúng được coi là đồng nghĩa, đôi khi như các nấc thang tiến bộ. Chúng không phải cả hai. Chúng đến từ các bài báo và bài nói khác nhau, đưa ra các phép so sánh khác nhau, và mỗi từ đều có thể được dùng cẩn thận hoặc cẩu thả.

Bài hướng dẫn này giải thích nguồn gốc của các từ, một tuyên bố có trách nhiệm cần nêu rõ những gì, và cách đọc chúng cùng với những khái niệm cơ bản hơn về qubit và sửa lỗi. Bài này đi kèm danh sách kiểm tra của chúng tôi về cách đọc một thông báo về điện toán lượng tử.

Ưu việt lượng tử

John Preskill đưa ra cụm từ “quantum supremacy” vào năm 2012 trong một bài phát biểu tổng kết, sau đó được xuất bản với tên “Quantum computing and the entanglement frontier”. Ông dùng nó để chỉ thời điểm được kỳ vọng khi một hệ lượng tử được kiểm soát tốt có thể thực hiện một nhiệm vụ vượt quá khả năng của máy tính số thông thường. Trong bài nói đó, một minh chứng thuyết phục về ưu việt không nhất thiết phải giải một bài toán công nghiệp hữu ích. Đó có thể là một nhiệm vụ nhân tạo, được chọn vì khó mô phỏng theo cách cổ điển và có thể chạy trên phần cứng trong tương lai gần.

Ý nghĩa đó — một thiết bị lượng tử làm được điều gì đó gây khó khăn hoặc vượt qua khả năng mô phỏng cổ điển hợp lý, không nhất thiết là điều ai đó sẵn sàng trả tiền — là ý nghĩa đã được định hình trong tài liệu nghiên cứu.

Tuyên bố nổi tiếng nhất xuất hiện vào tháng 10 năm 2019, khi Google và các đối tác công bố trên Nature bài “Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”. Họ báo cáo một thí nghiệm lấy mẫu mạch ngẫu nhiên trên bộ xử lý Sycamore 53 qubit và ước tính rằng một nhiệm vụ mà thiết bị lượng tử của họ mất khoảng 200 giây sẽ khiến một siêu máy tính tiên tiến mất khoảng 10.000 năm. Những con số đó là ước tính của các tác giả, không phải một hằng số phổ quát của tự nhiên: chúng phụ thuộc vào cách mô hình hóa mô phỏng cổ điển.

Các nhà nghiên cứu của IBM đã phản hồi công khai, trong đó có một bài blog tựa đề “On “quantum supremacy””, lập luận rằng một mô phỏng cổ điển cẩn thận hơn — đặc biệt là mô phỏng tận dụng tốt hơn bộ nhớ thứ cấp — có thể hoàn thành cùng nhiệm vụ lấy mẫu trong vài ngày thay vì hàng thiên niên kỷ. Bất đồng không nằm ở việc Sycamore có chạy một mạch khó hay không. Nó nằm ở ý nghĩa của “vượt quá tầm với của máy tính cổ điển” khi thuật toán cổ điển và mô hình máy được xác định rộng rãi hơn.

Cuộc trao đổi đó là khuôn mẫu để đọc mọi tuyên bố kiểu ưu việt về sau: nêu tên nhiệm vụ, nêu tên thiết bị lượng tử, nêu tên mốc tham chiếu cổ điển, và chờ đợi mốc tham chiếu đó dịch chuyển khi các thuật toán cổ điển được cải thiện.

Ưu thế lượng tử

“Quantum advantage” được dùng theo hai cách chồng chéo, và đó là lý do nó gây rắc rối.

Theo một cách dùng, đó là thuật ngữ nhẹ nhàng hơn cho ưu việt: một máy tính lượng tử làm tốt hơn máy tính cổ điển trong một nhiệm vụ được định nghĩa rõ ràng. Một số nhà nghiên cứu thích “advantage” hơn vì từ “supremacy” trong tiếng Anh mang hàm ý chính trị không liên quan đến vật lý. Nếu một bài báo nói rằng họ tránh từ supremacy vì lý do đó, thì thường họ vẫn đang nói về một phép so sánh tính toán, không phải về một sản phẩm nói chung tốt hơn máy tính cổ điển.

Theo cách dùng còn lại, “advantage” được dành cho việc tăng tốc (hoặc cải thiện chi phí hay năng lượng) trên một bài toán mà mọi người vốn đã quan tâm — hóa học, vật liệu, tối ưu hóa, mật mã — thay vì một nhiệm vụ lấy mẫu được thiết kế cho phép so sánh. Theo cách dùng chặt chẽ hơn này, một thí nghiệm lấy mẫu mạch ngẫu nhiên có thể là ưu việt mà không phải là ưu thế.

Bạn không thể biết một thông báo muốn nói nghĩa nào trừ khi nó cho biết cái gì được so sánh với cái gì. Một tiêu đề chỉ nói “đã đạt được ưu thế lượng tử” là chưa đầy đủ.

Hữu dụng lượng tử

“Utility” trở nên phổ biến sau bài báo năm 2023 trên Nature của Youngseok Kim, Andrew Eddins, Abhinav Kandala và các đồng nghiệp tại IBM cùng các đối tác học thuật: “Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance”. Thí nghiệm chạy các mạch trên một bộ xử lý siêu dẫn 127 qubit có nhiễu, bao gồm các mạch có tới 60 lớp cổng hai qubit (2.880 cổng CNOT trong những trường hợp lớn nhất mà họ nêu bật). Các tác giả lập luận rằng họ có thể đo chính xác các giá trị kỳ vọng ở quy mô vượt quá tính toán cổ điển bằng phương pháp vét cạn, và kết quả của họ vẫn đáng tin cậy trong một chế độ vướng víu mạnh, nơi một số phương pháp cổ điển xấp xỉ hàng đầu, bao gồm một số cách tiếp cận mạng tensor, đã thất bại.

Có hai lưu ý rút ra trực tiếp từ chính bài báo. Thứ nhất, các tác giả trình bày đây là bằng chứng về tính hữu dụng trong kỷ nguyên trước khi có khả năng chịu lỗi — nền tảng để khám phá các phương pháp trong tương lai gần — chứ không phải tuyên bố rằng một ứng dụng thương mại hiện đã vượt qua mọi bộ giải cổ điển. Thứ hai, họ so sánh với các kỹ thuật cổ điển cụ thể (mô phỏng vét cạn ở nơi vẫn áp dụng được, và các phương pháp xấp xỉ được nêu tên ở nơi không áp dụng được). Các thuật toán cổ điển sau này có thể thu hẹp hoặc xóa bỏ khoảng cách đó, giống như các công trình mô phỏng cổ điển đã đáp lại một phần phép so sánh ưu việt năm 2019.

Trong ngôn ngữ tiếp thị lỏng lẻo hơn, “utility” đôi khi bị kéo giãn thành “khách hàng nhận được giá trị từ hệ thống lượng tử của chúng tôi”. Đó có thể là một tuyên bố kinh doanh hợp lý. Nhưng đó không phải cùng một tuyên bố với bài báo năm 2023.

Các từ này liên quan thế nào đến NISQ và khả năng chịu lỗi

Bài tiểu luận NISQ sau này của Preskill (2018) mô tả một kỷ nguyên của các thiết bị có từ vài chục đến vài trăm qubit nhiễu, đủ thú vị để chạy các thí nghiệm khó mô phỏng, nhưng chưa được bảo vệ bởi cơ chế sửa lỗi chịu lỗi đầy đủ. Các thí nghiệm lấy mẫu kiểu ưu việt tự nhiên thuộc về kỷ nguyên đó: chúng đặt câu hỏi liệu một thiết bị nhiễu có thể vượt qua mô phỏng cổ điển trong một nhiệm vụ được thiết kế riêng hay không.

Các thuật toán hữu ích quy mô lớn như trong sách giáo khoa thường giả định một máy chịu lỗi, trong đó qubit logic và cổng logic đủ tin cậy để chạy các mạch sâu. Đó là một cột mốc khác với ưu việt, ưu thế hay hữu dụng. Một nhóm có thể báo cáo tiến bộ trong sửa lỗi mà không tuyên bố ưu thế, và có thể báo cáo một thí nghiệm kiểu ưu việt mà không có qubit logic nào.

Việc trộn lẫn các tầng này — “chúng tôi đã chứng minh ưu việt, vậy các thuật toán hữu ích đã đến” — là bước nhảy phổ biến nhất trong các bài viết đại chúng. Bản thân các bài báo thực nghiệm hiếm khi đưa ra bước nhảy đó.

Phép thử khi đọc bất kỳ tuyên bố nào trong ba loại

Dù thông báo chọn từ nào, các câu hỏi vẫn như nhau:

• Nhiệm vụ. Đầu vào là gì, đầu ra được tạo ra là gì, và vì sao đầu ra đó khó đạt được theo cách cổ điển?
• Thiết bị lượng tử. Bao nhiêu qubit, loại hình nào, độ sâu mạch bao nhiêu, và đã dùng biện pháp giảm thiểu lỗi hay sửa lỗi nào?
• Mốc tham chiếu cổ điển. Thuật toán nào, máy nào, bao nhiêu thời gian và bộ nhớ, và ai chọn cách triển khai — nhóm lượng tử hay một nhóm cổ điển độc lập?
• Kiểm chứng. Làm sao biết đầu ra lượng tử là đúng nếu bài toán quá lớn để mô phỏng chính xác?
• Độ bền của tuyên bố. Một phương pháp cổ điển sau này đã thu hẹp khoảng cách chưa? Các tuyên bố về ưu việt và ưu thế có thể bị thu hẹp mà thí nghiệm ban đầu không hề có lỗi.
• Tính hữu ích. Nhiệm vụ đó có phải là điều mà một người dùng bên ngoài thí nghiệm muốn giải, hay là một phép đo được tạo ra cho phép so sánh?

Nếu những câu trả lời đó có trong bài báo hoặc bài blog kỹ thuật, từ ngữ trên tiêu đề ít quan trọng hơn. Nếu không có, từ ngữ trên tiêu đề không thể thay thế chúng.

DesignQuantum^™ sử dụng các thuật ngữ này như thế nào

Trong các bản tin, chúng tôi ưu tiên thuật lại phép so sánh mà nhóm công bố thực sự đưa ra, bằng chính lời của họ có ghi nguồn, và liên kết đến bài báo hoặc bài viết. Chúng tôi chỉ dùng “ưu việt”, “ưu thế” hay “hữu dụng” bằng giọng của mình khi phép so sánh được đề cập là rõ ràng. Nếu một thông cáo báo chí dùng một trong những từ này mà không có phép so sánh, chúng tôi coi đó là tuyên bố của người phát ngôn, không phải là kết quả mà chúng tôi đã đánh giá độc lập.

Vốn từ vựng sẽ còn tiếp tục thay đổi. Điều không nên thay đổi là yêu cầu một tuyên bố về tính toán phải nêu rõ nhiệm vụ và mốc tham chiếu của nó.