Quandoom: DOOM chạy trên máy tính lượng tử - 72.376 qubit, 83 triệu dòng QASM

TL;DR

Quandoom là bản port Level 1 của DOOM lên máy tính lượng tử, toàn bộ logic game được mã hóa thành một file QASM khổng lồ với 72.376 qubit và hơn 80 triệu cổng lượng tử. Không có máy tính lượng tử nào đủ mạnh để chạy nó hôm nay - nhưng bạn vẫn có thể thử ngay trên laptop bằng trình giả lập C++ nhẹ 150 dòng code, đạt tốc độ 10-20 FPS. Tác giả là Luke Mortimer, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại ICFO Barcelona, dành khoảng 1 năm cuối tuần để hoàn thành dự án mã nguồn mở này.

Meme 30 năm: "DOOM chạy trên tất cả"

Kể từ năm 1993, DOOM không chỉ là một tựa game - nó là thước đo phi chính thức của mọi nền tảng tính toán. Từ máy đo thai sản đến vi khuẩn E.Coli, cộng đồng Reddit /r/itrunsdoom đã chứng kiến game này xuất hiện trên mọi thứ có thể lập trình được.

Năm 2024, Luke Mortimer đặt câu hỏi: liệu máy tính lượng tử có nằm trong danh sách đó không? Câu trả lời là có - nhưng với một catch thú vị: chưa có máy tính lượng tử nào đủ mạnh để thực sự chạy nó, kể cả những máy tiên tiến nhất hiện nay.

Cơ chế lượng tử bên dưới

Quandoom không phải là port thông thường. Toàn bộ game được viết lại từ đầu dưới dạng một mạch lượng tử sử dụng hai loại cổng: Toffoli và Hadamard - cặp đôi tạo thành bộ cổng lượng tử phổ quát. Vòng lặp game hoạt động như sau:

1. Người dùng nhấn phím - giá trị được set vào qubit đầu vào
2. Toàn bộ mạch lượng tử (83 triệu+ cổng) được áp dụng lên trạng thái hiện tại
3. 64.000 qubit cuối được đo và hiển thị thành lưới 320x200 pixel nhị phân
4. Reset màn hình và qubit đầu vào, lặp lại

Lý do hình ảnh có kiểu wireframe x-ray - nhìn xuyên qua tường, vật thể chồng lên nhau - là do tính reversibility bắt buộc của cổng lượng tử. Logic chỉ có thể flip pixel, không thể ghi đè, dẫn đến các đường ẩn vẫn hiển thị. Đây là giới hạn vật lý, không phải lỗi kỹ thuật.

Những con số đáng kinh ngạc

Điểm đáng chú ý: bộ giả lập C++ chỉ có 150 dòng code, trong khi file QASM mà nó chạy có hơn 83 triệu dòng. Bản thân file QASM không hoàn toàn tuân thủ chuẩn - Mortimer dùng các abbreviation để giảm kích thước từ >30 GB xuống còn vài trăm MB.

Khoảng cách với thực tế: NISQ era

Máy tính lượng tử thực tế hiện tại đang ở kỷ nguyên NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) với khoảng ~1.000 qubit tối đa. Quandoom cần 72.376 qubit - tức là cần máy tính lượng tử mạnh hơn 72 lần phần cứng tốt nhất hiện có.

Tác giả so sánh yêu cầu này giống như một game năm 2024 đòi hỏi chiếc "RTX 9090" - một card đồ họa chưa tồn tại. IBM, IonQ, Rigetti và Google đều có roadmap hướng đến máy tính lượng tử hàng triệu qubit, nhưng không ai cam kết timeline cụ thể.

Điều thú vị là Quandoom được thiết kế cố ý để không có quantum advantage: mạch được xây dựng sao cho không bao giờ xuất hiện negative phases, cho phép giả lập hiệu quả trên máy tính cổ điển trong thời gian đa thức - đây là bí quyết để 10-20 FPS trên laptop thành khả thi.

Bạn có thể thử ngay bây giờ

Mặc dù không có máy lượng tử nào có thể chạy Quandoom, bạn vẫn có thể trải nghiệm trên PC thường:

1. Tải về từ GitHub releases (Windows/Linux/macOS)
2. Kéo file quandoom.qasm vào simulator.exe
3. Chờ load - cần 5-6 GB RAM, mất vài phút
4. Chơi Level 1 ở 10-20 FPS với đồ họa wireframe đen trắng

Những gì thiếu so với DOOM gốc: màu sắc, âm thanh, nhạc nền, bản đồ tự động, bí mật level, kẻ thù di chuyển giữa các phòng. Fireball của Imp được đổi thành hitscan. Nhưng enemy vẫn bắn, HP và ammo vẫn cạn - đủ để gọi là chơi được.

Ý nghĩa thực sự

Dù được đóng gói như một trò đùa kỹ thuật, Quandoom mang giá trị thực sự cho cộng đồng nghiên cứu:

• Benchmark cho quantum simulator software - 72K qubit + 80M gate là bài test stress tốt nhất cho bất kỳ trình giả lập QASM nào
• Bài học về reversibility - minh họa trực quan tại sao lập trình lượng tử khác biệt hoàn toàn với classical computing; garbage qubits, ancilla registers là chi phí bắt buộc
• Baseline cho hardware gap - nếu Level 1 DOOM năm 1993 cần 72K qubit, chúng ta còn rất xa mới đến "quantum gaming"

Bản thân tác giả không chắc quantum computing sẽ bao giờ vượt trội classical computers trong ứng dụng thực tế. Nhưng ít nhất, quantum computers giờ có thể chạy DOOM - kể cả chỉ trên giả lập.

Tiếp theo

Quandoom hiện không có roadmap tiếp tục - Mortimer đã "bored" sau 1 năm làm việc và coi dự án là hoàn thành. Code mã nguồn mở MIT trên GitHub, cộng đồng có thể fork và cải tiến. Điểm tối ưu đầu tiên được đề xuất: sprite rendering logic - hiện tại được bake cứng cho tất cả 200 kích thước sprite có thể, đây là nguyên nhân chính làm file QASM phình to.

Nguồn: GitHub Lumorti/Quandoom, arXiv:2412.12162 (Dec 2024), Tom's Hardware.