Thuật toán lượng tử mới mở đường tăng tốc AI và tính toán khoa học

Máy tính lượng tử IBM Q năm 2018 từ Hội nghị thượng đỉnh các nhà lãnh đạo đổi mới của MIT Technology Review. Ảnh: Flickr

Thuật toán lượng tử quantum Hermite transform, viết tắt QHT, do các nhà nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven trực thuộc Bộ Năng lượng Mỹ, Đại học Northeastern, nhóm Google Quantum AI và Đại học Texas tại Austin cùng phát triển, hứa hẹn mở rộng phạm vi bài toán mà máy tính lượng tử tương lai có khả năng giải quyết. Nhóm tác giả trình bày công trình này tại Hội nghị chuyên đề thường niên lần thứ 58 của ACM về Lý thuyết tính toán, gọi tắt STOC 2026, tổ chức tại thành phố Salt Lake City, Mỹ.

Nhóm nghiên cứu gọi QHT là một nguyên tố tính toán lượng tử mới, tức khối xây dựng cơ bản mà giới khoa học có thể tái sử dụng để thiết kế nhiều loại thuật toán khác nhau, thay vì phải xây dựng lại từ đầu mỗi khi giải một bài toán mới. Theo nhóm tác giả, nguyên tố này có khả năng cải thiện cách máy tính lượng tử xử lý dữ liệu, mô phỏng các hệ vật lý và hỗ trợ những ứng dụng mới nổi như trí tuệ nhân tạo.

Khoảng trống trong công cụ tính toán lượng tử

Máy tính lượng tử vận hành theo nguyên lý khác hẳn máy tính cổ điển, khi khai thác các hiện tượng cơ học lượng tử như chồng chất trạng thái và vướng víu lượng tử để xử lý thông tin. Phần cứng lượng tử đạt nhiều tiến bộ trong những năm gần đây, nhưng theo nhóm nghiên cứu, hệ sinh thái phần mềm lượng tử vẫn thiếu một bộ nguyên tố thuật toán chuẩn hóa có thể dùng lại cho nhiều ứng dụng khác nhau, và thuật toán lượng tử Hermite transform ra đời nhằm lấp một phần khoảng trống đó.

Trong toán học cổ điển, giới khoa học ứng dụng rộng rãi phép biến đổi Hermite trong kỹ thuật, vật lý và xử lý tín hiệu, đồng thời dùng công cụ này để mô tả dao động điều hòa lượng tử, một mô hình vật lý nền tảng, còn các hệ thống dựa trên phân phối Gauss trong học máy cùng khoa học dữ liệu cũng vận dụng phép biến đổi này thường xuyên. Trước khi nhóm nghiên cứu công bố kết quả này, việc thực hiện phép tính tương đương trên máy tính lượng tử vẫn đòi hỏi chi phí tính toán rất lớn.

Nén phép tính phức tạp bằng nguyên tố mới

Nhóm nghiên cứu thiết kế một mạch lượng tử thực hiện phép biến đổi Hermite chỉ với chi phí tính toán tăng theo hàm logarit, qua đó giảm mạnh số phép toán cần thực hiện so với các phương pháp hiện có. Thuật toán lượng tử này còn tích hợp kỹ thuật tua nhanh lượng tử, cho phép máy tính lượng tử tính ra trạng thái tương lai của một số hệ lượng tử mà không cần mô phỏng từng bước trung gian, và theo nhóm tác giả, khả năng này rút ngắn rõ rệt thời gian chuẩn bị các trạng thái lượng tử phức tạp trước khi bước vào giai đoạn tính toán chính.

Khi kết hợp với phương pháp chuẩn bị trạng thái mới do chính nhóm phát triển, quantum Hermite transform mang lại cách biểu diễn và phân tích thông tin lượng tử hiệu quả hơn hẳn so với trước đây.

Ứng dụng vượt ra ngoài vật lý lượng tử

Công trình này mang tính chất toán học nền tảng, nhưng phạm vi ứng dụng vượt xa lĩnh vực vật lý lý thuyết, bởi các hàm Hermite vốn là nền tảng của nhiều mô hình Gauss trong thống kê, học máy và xử lý tín hiệu. Nhóm nghiên cứu cho rằng nguyên tố lượng tử mới này có thể hỗ trợ những thuật toán lượng tử hiệu quả hơn trong các lĩnh vực như trí tuệ nhân tạo, khoa học vật liệu, nghiên cứu năng lượng và mô phỏng khoa học nâng cao.

Nhóm tác giả cũng nhấn mạnh rằng việc mở rộng kho nguyên tố lượng tử có thể tái sử dụng sẽ giúp giới nghiên cứu thiết kế những lớp thuật toán lượng tử hoàn toàn mới, thay vì liên tục dựa vào các kỹ thuật cũ như phép biến đổi Fourier lượng tử. Theo công bố trên trang tin của Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, quantum Hermite transform còn mang lại lợi thế tốc độ tăng theo cấp số mũ so với phương pháp cổ điển tốt nhất hiện biết, khi vận hành trong điều kiện tính toán lượng tử phù hợp.

Dự án bắt nguồn từ chương trình Nghiên cứu tính toán khoa học tiên tiến của Bộ Năng lượng Mỹ, khi Ning Bao, trợ lý giáo sư tại Đại học Northeastern kiêm nhiệm tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, cùng Stephen Jordan thuộc Google Quantum AI khởi xướng những trao đổi đầu tiên, trước khi hợp tác mở rộng thành một nhóm lớn hơn với sự tham gia của các nhà nghiên cứu Đại học Texas tại Austin. Kết quả hợp tác này cho thấy giới khoa học đặt trọng tâm ngang nhau cho cả việc xây dựng nền tảng toán học lẫn nỗ lực phát triển phần cứng lượng tử mạnh hơn, nhằm biến máy tính lượng tử tương lai thành công cụ hữu dụng trên diện rộng.

Hiện loại máy tính lượng tử chịu lỗi, đủ năng lực vận hành những thuật toán như QHT ở quy mô lớn, vẫn đang trong quá trình phát triển. Dù vậy, nhóm nghiên cứu xem các nguyên tố thuật toán mới là khối xây dựng thiết yếu, yếu tố quyết định năng lực của hệ thống lượng tử trong tương lai, bởi quantum Hermite transform, theo nhóm tác giả, không phải một ứng dụng hoàn chỉnh mà là công cụ tính toán có thể tái sử dụng, làm nền cho các thuật toán lượng tử tiếp theo trong nhiều ngành khoa học khác nhau.