Máy tính lượng tử từ lâu được kỳ vọng có thể xử lý những phép tính vượt quá khả năng của các hệ thống thông thường. Giờ đây, các nhà khoa học Trung Quốc đã thử giao cho công nghệ này một nhiệm vụ khác: đi từng bước để chứng minh một định lý hình học.

Các chuyên gia từ Đại học Chiết Giang và Đại học Thanh Hoa sử dụng chip siêu dẫn 121 qubit để xử lý hai thử thách. Một trong số đó từng xuất hiện tại Olympic Toán quốc tế (IMO) năm 1978.

Điều đáng chú ý không phải hệ thống tìm được đáp án đúng. Cả hai đề đều đã có lời giải từ lâu và máy tính cổ điển ngày nay có thể xử lý chúng rất nhanh. Điểm mới nằm ở cách đi đến kết quả: một phần của chuỗi suy luận toán học được chuyển thành những thao tác có thể chạy trên phần cứng lượng tử.

Nói đơn giản, thay vì chỉ nhận dữ liệu rồi trả về một con số, hệ thống phải bắt đầu từ những điều đã biết, áp dụng các quy tắc phù hợp và tiến từng bước tới kết luận cần tìm.

Thử thách đầu tiên khá quen thuộc: cho một hình vuông và chứng minh hai đường chéo cắt nhau vuông góc.

Với con người, đây là kiến thức hình học cơ bản. Tuy nhiên, mục tiêu của thử nghiệm không phải xem cỗ máy có tìm ra một tính chất vốn đã biết hay không. Nhóm tác giả muốn kiểm tra liệu quá trình đi từ giả thiết đến kết luận có thể được mã hóa và chạy trên chip lượng tử.

Để làm được điều đó, họ sử dụng một phiên bản kết hợp của phương pháp Wu. Cách tiếp cận này cho phép chuyển quan hệ hình học thành các biểu thức đại số, từ đó đưa một phần công việc sang các mạch lượng tử.

Sau phép thử tương đối đơn giản này, độ khó được nâng lên với một đề hình học tại IMO năm 1978, liên quan đến các tam giác và đường tròn giao nhau.

Ở thử thách thứ hai, các nhà khoa học áp dụng phương pháp tìm kiếm chứng minh bằng ký hiệu. Có thể hình dung quá trình này giống như đứng trước nhiều con đường khác nhau: hệ thống đề xuất một bước đi, đánh giá xem nó có hợp lý hay không, rồi tiếp tục lựa chọn hướng có thể dẫn tới kết luận cuối cùng.

Một số kỹ thuật học máy đơn giản cũng được sử dụng để hỗ trợ việc nhận biết và củng cố những bước đi phù hợp.

Thành công của thử nghiệm cho thấy một hướng ứng dụng khác của công nghệ lượng tử. Trước đây, lĩnh vực này thường được nhắc đến với khả năng xử lý lượng lớn phép tính. Nhưng chứng minh định lý đòi hỏi nhiều hơn việc tính toán: mỗi bước phải tuân theo những quy tắc nhất định và kết quả sau phải được rút ra hợp lý từ thông tin có trước.

Đưa cả chuỗi logic như vậy lên phần cứng thực tế không đơn giản. Qubit rất nhạy với nhiễu và khó duy trì trạng thái ổn định, đặc biệt khi nhiệm vụ gồm nhiều công đoạn nối tiếp nhau.

Kết quả mới cho thấy các mạch lượng tử có thể tham gia vào quá trình suy luận toán học có cấu trúc. Đây là bước tiến đáng chú ý, nhưng chưa đồng nghĩa những cỗ máy này đã có thể tự giải các định lý phức tạp hay vượt qua con người trong toán học.

Trên thực tế, thử nghiệm vẫn ở quy mô nhỏ. Các vấn đề được lựa chọn đều có lời giải từ trước, hệ thống nhận được nhiều hướng dẫn và máy tính cổ điển có thể hoàn thành chúng dễ dàng. Trong quá trình suy luận, trạng thái còn phải được đo rồi chuẩn bị lại giữa các vòng, thay vì toàn bộ công việc diễn ra liên tục trên chip.

Những hạn chế này chủ yếu đến từ phần cứng hiện nay. Để xử lý các biểu thức hình học lớn và phức tạp hơn, máy tính lượng tử sẽ cần thêm tài nguyên, đồng thời phải hoạt động ổn định hơn.

Nghiên cứu cũng gợi mở khả năng kết hợp công nghệ này với trí tuệ nhân tạo. Trong tương lai, các hệ thống AI có thể tận dụng phần cứng lượng tử để hỗ trợ tìm lời giải cho những vấn đề mà thuật toán cổ điển gặp khó khăn. Tuy nhiên, đây mới là hướng phát triển được đặt ra, chưa phải điều đã được chứng minh trong thử nghiệm lần này.

Kết quả hiện cũng mới xuất hiện dưới dạng bản thảo trên arXiv và chưa trải qua bình duyệt khoa học.

Dù còn ở giai đoạn ban đầu, thử nghiệm cho thấy chip lượng tử có thể làm nhiều hơn việc xử lý các con số. Nó có thể tham gia vào một chuỗi lập luận gồm nhiều bước có thể kiểm chứng và một đề thi Olympic Toán từ 48 năm trước đã trở thành phép thử cho khả năng mới này.