Định hướng đi cho điện toán lượng tử

Điện toán lượng tử cho phép các phương pháp mới khám phá dược phẩm, material design (một phong cách thiết kế mới được Google giới thiệu cùng lúc với phiên bản Android 5.0 Lollipop) và trí thông minh nhân tạo, v.v. trở thành hiện thực.

Đối với điện toán cao cấp, điện toán lượng tử hứa hẹn sẽ thay đổi vể bề ngoài và cách các máy tính hiệu suất cao và các trung tâm dữ liệu của tương lai hoạt động. Tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, các nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm đến tiềm năng của điện toán lượng tử trong việc cho phép các khám phá và đổi mới khoa học sử dụng các loại siêu máy tính tăng tốc lượng tử mới.

Kỳ vọng đang tiếp tục phát triển khi chính phủ và ngành công nghiệp đầu tư mạnh vào lĩnh vực lượng tử. Gần đây, đã có một sự gia tăng đáng kể trong đầu tư từ chính phủ các nước Trung Quốc, Úc, Liên minh châu Âu và Hoa Kỳ, với tổng số tiền lên tới hơn 10 tỷ đô la Mỹ. Ngoài ra, các khoản đầu tư thương mại của IBM, Google, Intel và một loạt các công ty khởi nghiệp đã làm nổi bật sự quan tâm ngày càng tăng trong việc chuyển đổi các công nghệ này sang các dịch vụ điện toán trong tương lai.

Điện toán lượng tử được kỳ vọng sẽ đẩy nhanh các giải pháp cho các vấn đề về phân tích dữ liệu, hậu cần, kỹ thuật và tự động hóa phần mềm. Các đám mây điện toán lượng tử trong tương lai có thể hỗ trợ kinh doanh trong các lĩnh vực bao gồm: y tế, tài chính, khoa học và quốc phòng. Một cộng đồng nghiên cứu sôi động của các trường đại học và phòng thí nghiệm đã sẵn sàng đáp ứng sự quan tâm trong việc chuyển những ý tưởng này thành những chiếc máy tính lượng tử thực sự.

Nhưng liệu khoa học về điện toán lượng tử đã sẵn sàng cho sự chuyển đổi từ phòng thí nghiệm sang sản phẩm hoàn chỉnh? Mặc dù sự chú ý tăng lên được tài trợ bởi các nguồn tài chính mới, liệu lĩnh vực điện toán lượng tử có thể thực sự tiến tới các sản phẩm có thể thực hiện được không? Hay các cuộc điều tra khoa học trong nhiều thập kỷ qua chỉ đơn giản là tạo ra sự phấn giả dối? Hiện nay, chỉ có một vài cuộc thử nghiệm mô tả về tính toán lượng tử, và có lẽ từ "thử nghiệm" là phù hợp nhất khi diễn tả về công nghệ này.

Các hệ thống và thiết bị tính toán lượng tử tốt nhất hiện nay được thực hiện trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu. Hầu hết các hệ thống này là thiết kế thế hệ đầu tiên của các khái niệm mới về kiểm soát vật lý lượng tử. Cũng có một số phát triển thương mại nhưng các hệ thống này thất bại trong việc chứng tỏ mức độ hiệu suất bảo đảm cho tăng trưởng, khả năng sản xuất hoặc áp dụng lâu dài. Đó là một điểm then chốt trong sự phát triển của điện toán lượng tử, nơi nhiều con mắt đang nhìn con đường phía trước… nhưng chúng ta có đang tiến về phía trước?

Xin hãy tha thứ cho quá trình của chúng tôi

Trong một nỗ lực để giải quyết nhu cầu theo dõi tiến bộ kỹ thuật, một nhóm làm việc mới dưới sự bảo trợ của IEEE Rebooting Computing Initiative đã bắt đầu phát triển các chỉ số và khung điểm chuẩn để đánh giá các thiết bị và hệ thống tính toán lượng tử. Nhóm làm việc nổi lên từ Hội nghị thượng đỉnh IEEE về điện toán lượng tử được tổ chức tại Atlanta, Georgia vào tháng 8 năm 2018. Hội nghị tập trung vào xác định vai trò mở rộng cho IEEE trong lĩnh vực kỹ thuật mới này. Trong nhiều lời kêu gọi hành động, sự cần thiết của việc thiết lập một khuôn khổ nắm bắt được những thách thức và tính đa dạng của điện toán lượng tử là đáng chú ý nhất. Kết quả là nhóm làm việc bắt đầu phác thảo một cách tiếp cận có thể theo dõi tiến độ trên nhiều công nghệ điện toán lượng tử và ứng dụng, đồng thời cho phép những khám phá và đột phá mới được mong đợi cho một lĩnh vực phát triển nhanh chóng như thế này.

Nhóm làm việc IEEE công nhận rằng khuôn khổ cho các chỉ số và khung điểm chuẩn phải duy trì quan điểm trung lập. Nhiều công nghệ lượng tử khác nhau có tính khả thi để tiếp tục nghiên cứu và phát triển, và sự phát triển này có khả năng sẽ tiếp tục duy trì. Các ví dụ hàng đầu bao gồm các thiết bị điện tử siêu dẫn, máy tính lượng tử bẫy các ion và các nguyên tử trung tính. Nhưng có một loạt các hiện tượng vật lý lượng tử khác đang được xem xét. Ngoài ra, mỗi công nghệ này phải đối mặt với nhiều lớp tích hợp phức tạp cần phải được theo dõi từ thanh ghi vật lý ở mức độ thấp cho đến hiệu suất ứng dụng.

Khuôn khổ đã được thiết kế để nắm bắt các định nghĩa rộng nhất về điện toán lượng tử bằng cách nêu chi tiết các trường hợp sử dụng đã biết, bao gồm các mô hình khác nhau về cách một máy tính lượng tử có thể hoạt động cũng như các ứng dụng khác nhau như mô phỏng khoa học và tối ưu hóa không bị giới hạn. Nhóm làm việc dự định sẽ mở rộng và sàng lọc lại khi các tiến bộ mới xuất hiện.

Chúng tôi hy vọng các chỉ số và khung điểm chuẩn cho điện toán lượng tử sẽ cho phép theo dõi tốt hơn tiến độ kỹ thuật của các thiết bị và hệ thống ban đầu này. Với sự hỗ trợ đa dạng từ các kỹ sư, nhà phát triển và người dùng, IEEE có các nguồn lực và cộng đồng cần thiết để đánh giá, phân phối và quản lý chỉ số và khung điểm chuẩn cho công chúng với phạm vi rộng hơn. Cộng đồng IEEE cũng đóng góp hỗ trợ cho giáo dục, đào tạo và phát triển nguồn nhân lực, những nhân tố quan trọng cho việc áp dụng công nghệ mới này về lâu dài.

Một phần quan trọng khác trong việc thực hiện khuôn khổ là đảm bảo mô hình hợp tác công-tư, ở đó, các phòng thí nghiệm của chính phủ và ngành công nghiệp sẽ hợp tác với cộng đồng nghiên cứu rộng hơn trong việc thiết lập kỳ vọng và đánh giá tăng trưởng. Rất nhiều nhà nghiên cứu đang đóng góp vào sự bùng nổ khoa học máy tính lượng tử và kỹ thuật, và việc chuyển đổi những ý tưởng này thành các sản phẩm và dịch vụ cho công chúng cần phải được theo dõi cho việc chứng minh tính khả thi.

Quan hệ đối tác công-tư này mang lại lợi ích cho ngành công nghiệp và chính phủ bằng cách xây dựng niềm tin, sự hiểu biết về công nghệ điện toán lượng tử. Hiệp hội Phát triển Kinh tế lượng tử được công bố gần đây hứa hẹn sẽ đóng vai trò trong việc chia sẻ thông tin giữa đa dạng các bên liên quan trong ngành công nghiệp này.

Dự thảo khuôn khổ IEEE sẽ được phát hành trong Hội nghị quốc tế về Rebooting Computing được tổ chức ngày 7-9 tháng 11 năm 2018 tại Tysons Corner, Virginia. Dự thảo sẽ được kèm theo yêu cầu nhận xét với mục địch thu thập phản hồi từ công chúng về các thước đo tốt nhất trong theo dõi tiến trình đối với các thiết bị và hệ thống điện toán lượng tử. Cả hai tài liệu đều có sẵn trên trang web của Rebooting Computing: https://rebootingcomputing.ieee.org/quantum

Mục tiêu dài hạn của nhóm làm việc là cho phép kết nối giữa các bên liên quan của công nghệ lượng tử và các kỹ sư phát triển nó. Giống như dự báo được thiết lập bởi Lộ trình Quốc tế về Thiết bị và Hệ thống (IRDS), tổ chức theo dõi xu hướng và khả năng của các thiết bị tính toán hiện đại và biến những chúng thành những thách thức ngành, chúng ta mong đợi các thước đo và khung điểm chuẩn của các thiết bị và hệ thống tính toán lượng tử sẽ thực hiện tương tự. Trong khi khuôn khổ được dự kiến ​​sẽ hỗ trợ dự báo trong tương lai, cộng đồng nghiên cứu đang khám phá các phương pháp tốt nhất để đo lường con đường dẫn đến thành công.