Máy tính lượng tử là gì?

Máy tính lượng tử khai thác một số hiện tượng gần như huyền bí của cơ học lượng tử để mang lại bước tiến vượt bậc về sức mạnh xử lý. Máy lượng tử hứa hẹn sẽ vượt xa cả những siêu máy tính có khả năng mạnh nhất hiện nay và ngày mai.

Tuy nhiên, chúng sẽ không quét sạch các máy tính thông thường. Sử dụng máy cổ điển vẫn sẽ là giải pháp dễ dàng và tiết kiệm nhất để giải quyết hầu hết các vấn đề. Nhưng máy tính lượng tử hứa hẹn mang lại những tiến bộ thú vị trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ khoa học vật liệu đến nghiên cứu dược phẩm. Các công ty đã thử nghiệm chúng để phát triển những thứ như pin nhẹ hơn và mạnh hơn cho ô tô điện cũng như giúp tạo ra các loại thuốc mới.

Bí mật về sức mạnh của máy tính lượng tử nằm ở khả năng tạo và điều khiển các bit lượng tử hay qubit. 

Qubit là gì? 

Máy tính ngày nay sử dụng bit—một dòng xung điện hoặc xung quang đại diện cho  1 giây hoặc  0 giây. Mọi thứ từ tweet và e-mail đến các bài hát trên iTunes và video trên YouTube về cơ bản đều là những chuỗi dài gồm các chữ số nhị phân này.

Mặt khác, máy tính lượng tử sử dụng qubit, thường là các hạt hạ nguyên tử như electron hoặc photon. Tạo và quản lý qubit là một thách thức khoa học và kỹ thuật. Một số công ty, chẳng hạn như IBM, Google và Rigetti Computing, sử dụng các mạch siêu dẫn được làm mát ở nhiệt độ lạnh hơn cả không gian sâu. Những loại khác, như IonQ, bẫy các nguyên tử riêng lẻ trong trường điện từ trên chip silicon trong buồng chân không cực cao. Trong cả hai trường hợp, mục tiêu là cô lập các qubit ở trạng thái lượng tử được kiểm soát.

Qubit có một số đặc tính lượng tử kỳ quặc, có nghĩa là một nhóm được kết nối trong số chúng có thể cung cấp nhiều sức mạnh xử lý hơn so với cùng số bit nhị phân. Một trong những tính chất đó được gọi là sự chồng chất và tính chất khác được gọi là sự vướng víu. 

Chồng chất là gì? 

Qubit có thể biểu thị nhiều kết hợp có thể có của 1  và 0 cùng một lúc. Khả năng đồng thời ở nhiều trạng thái này được gọi là chồng chất. Để đặt các qubit vào trạng thái chồng chất, các nhà nghiên cứu thao tác với chúng bằng cách sử dụng tia laser hoặc chùm vi sóng chính xác.

Nhờ hiện tượng phản trực giác này, một máy tính lượng tử với một số qubit ở trạng thái chồng chất có thể xử lý đồng thời một số lượng lớn các kết quả tiềm năng. Kết quả cuối cùng của phép tính chỉ xuất hiện sau khi đo các qubit, điều này ngay lập tức khiến trạng thái lượng tử của chúng “sụp đổ” về 1  hoặc 0 . 

Vướng víu là gì? 

Các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các cặp qubit “vướng víu”, nghĩa là hai thành viên của một cặp tồn tại ở một trạng thái lượng tử duy nhất. Việc thay đổi trạng thái của một trong các qubit sẽ ngay lập tức thay đổi trạng thái của qubit kia theo cách có thể dự đoán được. Điều này xảy ra ngay cả khi chúng cách nhau một khoảng cách rất xa.

Không ai thực sự biết rõ làm thế nào và tại sao sự vướng víu lại hoạt động. Nó thậm chí còn khiến Einstein bối rối, người đã mô tả nó một cách nổi tiếng là “tác động ma quái ở khoảng cách xa”. Nhưng đó là chìa khóa cho sức mạnh của máy tính lượng tử. Trong một máy tính thông thường, việc nhân đôi số bit sẽ tăng gấp đôi sức mạnh xử lý của nó. Nhưng nhờ sự vướng víu, việc bổ sung thêm qubit vào máy lượng tử sẽ tạo ra khả năng xử lý số của nó tăng theo cấp số nhân.

Máy tính lượng tử khai thác các qubit vướng víu trong một loại chuỗi lượng tử để thực hiện phép thuật của chúng. Khả năng tăng tốc độ tính toán của máy móc bằng thuật toán lượng tử được thiết kế đặc biệt là lý do tại sao có nhiều tin đồn về tiềm năng của chúng.

Đó là tin tốt. Tin xấu là máy lượng tử dễ mắc lỗi hơn nhiều so với máy tính cổ điển vì sự mất kết hợp. 

Sự mất mạch lạc là gì? 

Sự tương tác của qubit với môi trường theo cách khiến hành vi lượng tử của chúng suy giảm và cuối cùng biến mất được gọi là sự mất kết hợp. Trạng thái lượng tử của chúng cực kỳ mong manh. Sự rung động hoặc thay đổi nhỏ nhất về nhiệt độ – những nhiễu loạn được gọi là “tiếng ồn” trong thuật ngữ lượng tử – có thể khiến chúng rơi ra khỏi trạng thái chồng chất trước khi công việc của chúng được thực hiện đúng cách. Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu cố gắng hết sức để bảo vệ qubit khỏi thế giới bên ngoài trong những tủ lạnh siêu lạnh và buồng chân không đó.

Nhưng bất chấp nỗ lực của họ, tiếng ồn vẫn gây ra nhiều sai sót len ​​lỏi vào trong tính toán. Các thuật toán lượng tử thông minh  có thể bù đắp cho một số vấn đề này và việc bổ sung thêm nhiều qubit cũng có ích. Tuy nhiên, có thể sẽ phải mất hàng nghìn qubit tiêu chuẩn để tạo ra một qubit duy nhất có độ tin cậy cao, được gọi là qubit “logic”. Điều này sẽ làm hao mòn rất nhiều khả năng tính toán của máy tính lượng tử.

Và có một vấn đề: cho đến nay, các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể tạo ra hơn 128 qubit tiêu chuẩn (xem bộ đếm qubit của chúng tôi tại đây ). Vì vậy, chúng ta vẫn còn phải mất nhiều năm nữa mới có được những chiếc máy tính lượng tử hữu dụng rộng rãi.

Điều đó không làm giảm hy vọng của những người tiên phong về việc trở thành người đầu tiên chứng tỏ “ưu thế lượng tử”.

Ưu thế lượng tử là gì?

Đó là thời điểm mà máy tính lượng tử có thể hoàn thành một phép tính toán học vượt xa tầm với của ngay cả siêu máy tính mạnh nhất.

Vẫn chưa rõ chính xác cần bao nhiêu qubit để đạt được điều này vì các nhà nghiên cứu tiếp tục tìm ra các thuật toán mới để tăng hiệu suất của các máy cổ điển và phần cứng siêu máy tính ngày càng tốt hơn. Nhưng các nhà nghiên cứu và công ty đang nỗ lực để giành được danh hiệu này, tiến hành thử nghiệm  với một số siêu máy tính mạnh nhất thế giới.

Có rất nhiều tranh luận trong giới nghiên cứu về việc đạt được cột mốc quan trọng này sẽ có ý nghĩa như thế nào . Thay vì chờ đợi quyền lực tối cao được tuyên bố, các công ty đã bắt đầu thử nghiệm máy tính lượng tử do các công ty như IBM, Rigetti và D-Wave, một công ty Canada sản xuất. Các công ty Trung Quốc như Alibaba cũng đang cung cấp quyền truy cập vào máy lượng tử. Một số doanh nghiệp đang mua máy tính lượng tử, trong khi những doanh nghiệp khác đang sử dụng những máy tính có sẵn thông qua dịch vụ điện toán đám mây .

Máy tính lượng tử có thể hữu ích nhất ở đâu đầu tiên?

Một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất của máy tính lượng tử là mô phỏng hành vi của vật chất  ở cấp độ phân tử. Các nhà sản xuất ô tô như Volkswagen và Daimler đang sử dụng máy tính lượng tử để mô phỏng thành phần hóa học của pin xe điện nhằm giúp tìm ra những cách mới để cải thiện hiệu suất của chúng. Và các công ty dược phẩm đang tận dụng chúng để phân tích và so sánh các hợp chất có thể dẫn đến việc tạo ra các loại thuốc mới.

Máy móc cũng rất hữu ích cho các vấn đề tối ưu hóa vì chúng có thể giải quyết vô số giải pháp tiềm năng cực kỳ nhanh chóng. Ví dụ, Airbus đang sử dụng chúng để giúp tính toán đường đi lên và hạ cánh tiết kiệm nhiên liệu nhất cho máy bay. Và Volkswagen đã tiết lộ một dịch vụ tính toán các tuyến đường tối ưu cho xe buýt và taxi trong thành phố nhằm giảm thiểu tắc nghẽn. Một số nhà nghiên cứu còn cho rằng máy móc có thể được sử dụng để tăng tốc trí tuệ nhân tạo .

Có thể mất khá nhiều năm để máy tính lượng tử phát huy hết tiềm năng của chúng. Các trường đại học và doanh nghiệp nghiên cứu chúng đang phải đối mặt với tình trạng thiếu các nhà nghiên cứu có tay nghề cao  trong lĩnh vực này và thiếu nhà cung cấp  một số thành phần chính. Nhưng nếu những chiếc máy tính mới kỳ lạ này thực hiện được lời hứa của mình, chúng có thể biến đổi toàn bộ ngành công nghiệp và thúc đẩy sự đổi mới toàn cầu.trốn

Martin Giles