Mối đe dọa của điện toán lượng tử đối với Bitcoin: Đánh giá tiến bộ và khả năng

Câu hỏi liệu máy tính lượng tử có thể từng gây ra mối nguy hiểm thực sự cho mạng Bitcoin đã được thảo luận trong hơn mười năm. Khi lần đầu tiên tôi biết đến Bitcoin hơn 13 năm trước, đây đã là một chủ đề tranh luận nghiêm túc.

Rất nhiều thứ đã thay đổi kể từ những ngày đầu khi tôi vẫn là một người mới mù mờ vật lộn để hiểu những điều cơ bản. Cả những tiến bộ lý thuyết và cải tiến kỹ thuật thực tế đã xảy ra.

Hai phát triển chính đã xuất hiện kể từ đó, làm thay đổi đáng kể khả năng xuất hiện của một máy tính lượng tử hoạt động trong vòng một thập kỷ tới. Điều này không tự động có nghĩa là những máy như vậy sẽ trở nên phổ biến hoặc dễ dàng tiếp cận ngay cả với những người có hầu bao rủng rỉnh.

Tuy nhiên, vẫn có cơ hội thực sự rằng một số máy chức năng sẽ được chế tạo trong những năm tới.

Cải thiện Sửa lỗi

Tiến bộ lớn đầu tiên nằm ở sửa lỗi. Để bù đắp cho nhiễu tự nhiên đi kèm với việc thao tác các vật thể ở quy mô nhỏ như vậy, việc tạo ra một qubit logic hữu ích duy nhất đòi hỏi nhiều qubit vật lý dự phòng.

Trước đây, phương pháp tốt nhất là mã bề mặt — sắp xếp nhiều qubit vật lý trong một lưới và sử dụng một số làm qubit kiểm tra thường xuyên xác minh hàng xóm của chúng về lỗi trong sự chồng chập mà không phá hủy nó. Mọi chỗ trống trong lưới đều phải được lấp đầy bằng một qubit kiểm tra.

Nhu cầu về qubit kiểm tra này đã thêm chi phí bổ sung có thể lên tới 1.000 qubit vật lý cho mỗi qubit logic. Vấn đề trở nên tồi tệ hơn ở quy mô lớn hơn vì một qubit kiểm tra chỉ có thể giám sát các hàng xóm ngay lập tức của nó, vì vậy mọi nhóm qubit đều yêu cầu các bộ kiểm tra cách đều nhau.

Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp lượng tử (qLDPC) loại bỏ ràng buộc này. Chúng cho phép các qubit kiểm tra giám sát các qubit khác trên khoảng cách lớn — thông qua các dấu vết kết nối các phần chip khác nhau hoặc bằng cách dịch chuyển vật lý các nguyên tử sử dụng thiết kế nguyên tử trung hòa. Kết quả là, số lượng qubit vật lý cần thiết cho một qubit logic đáng tin cậy đã giảm xuống một hệ số 10.

Đó là một cải thiện có ý nghĩa. Nó chưa đại diện cho một cỗ máy hoạt động đầy đủ, nhưng nó đánh dấu những lợi ích hiệu quả thực sự trong kỹ thuật sẽ hỗ trợ một máy tính lượng tử hoạt động.

Tiến bộ trong Việc Chứng minh Cơ bản

Sự phát triển thứ hai giải quyết một câu hỏi sâu sắc hơn: liệu việc thêm nhiều qubit vật lý hơn thực sự làm giảm nhiễu hệ thống tổng thể thay vì tăng nó. Điều này vẫn còn lý thuyết cho đến nay, và điều quan trọng là phải nhớ rằng chưa có máy tính lượng tử hoạt động đầy đủ nào thực hiện được một phép tính từ đầu đến cuối mà máy tính cổ điển không thể sánh kịp.

Google đã chạy một thí nghiệm với chip Sycamore (và sau đó là Willow) của mình để kiểm tra tác động của việc thêm nhiều qubit vật lý hơn. Để hoàn toàn rõ ràng, đây không phải là một minh chứng về tính toán — nó chỉ cho thấy rằng thông tin có thể được lưu trữ trong bộ nhớ mà không bị suy giảm.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các qubit logic được tạo từ các bó gồm 17, 49 và 101 qubit vật lý. Họ chỉ ra rằng tỷ lệ lỗi logic — tần suất dữ liệu bị hỏng — đã giảm khi số lượng qubit vật lý tăng lên. Thử nghiệm đã vượt qua một ngưỡng quan trọng: qubit logic được xây dựng từ các qubit vật lý độc lập giữ được sự kết hợp lâu hơn bất kỳ qubit vật lý đơn lẻ nào nó chứa.

Một lần nữa, đây không phải là một bước nhảy vọt đến một máy tính lượng tử hoạt động đầy đủ vượt trội so với máy cổ điển. Nhưng đó là tiến bộ thực sự trong việc xác nhận một trong những giả định cơ bản mà điện toán lượng tử dựa vào.

AI

Đây không phải là những lĩnh vực duy nhất nơi các giải pháp tốt hơn đang xuất hiện. Trí tuệ nhân tạo hiện đóng vai trò chính trong các hệ thống này. Nó được sử dụng để đọc và giải mã thông tin từ máy tính lượng tử — một nút thắt chính cho việc sử dụng các máy như vậy ở quy mô lớn.

AI cũng giúp phát triển các thuật toán lượng tử mới được điều chỉnh cho các thiết bị này. Với cách AI gần đây đã giúp giải quyết — hoặc thậm chí bác bỏ — các phỏng đoán toán học lớn, không phải là xa vời khi tưởng tượng AI tạo ra những đột phá trong lĩnh vực này.

Các kỹ thuật tương tự được áp dụng để thiết kế các mạch lượng tử vật lý được xây dựng với các kiến trúc khác nhau. Tìm bố trí tối ưu cho các cổng lượng tử trong không gian vật lý để giảm thiểu nhiễu ở cấp độ lượng tử, mà không tạo ra quá nhiều không gian trống gây ra độ trễ hoặc kém hiệu quả, là một thách thức rất phức tạp.

Yếu tố này có thể đẩy nhanh đáng kể tiến bộ trên các vấn đề cơ bản còn lại.

Triển vọng phía trước

Cuối cùng, theo quan điểm của tôi, nó quy về một câu hỏi: liệu giả định rằng thêm nhiều qubit vật lý hơn làm giảm nhiễu có đúng cho tính toán thực tế và thao tác chủ động của thông tin lượng tử không?

Nếu giả định đó đúng, và không bị bác bỏ bằng thực nghiệm trong tương lai gần, tôi tin rằng có cơ hội thực tế rằng một máy tính lượng tử khả thi sẽ được sản xuất trong vòng mười năm tới.

Nguồn lực khổng lồ đang được đổ vào vấn đề này. Có tiến bộ đáng kể — mặc dù không áp đảo — trên từng mảnh ghép của câu đố. Và nếu một điều gì đó về cơ bản là khả thi, con người thường tìm ra cách để đạt được nó.

Tôi không nói rằng đã đến lúc hoảng sợ. Nhưng đừng bác bỏ khả năng.

Bài viết này được giới thiệu trong ấn bản In mới nhất của Bitcoin Magazine, Số Lượng tử.