Máy tính lượng tử: Ý nghĩa, Ưu điểm và hơn thế nữa

Quantum máy tính là ứng dụng các nguyên lý cơ học lượng tử trong việc thực hiện các phép tính. Các hiện tượng cơ bản được sử dụng ở đây là sự vướng víu và chồng chất.

Trong khi điện toán lượng tử là một thuật ngữ tương đối mới, cơ học lượng tử đã tồn tại lâu hơn nhiều. Nó chịu trách nhiệm cho những phát triển lớn trong ngành công nghiệp điện tử và ngoài ra còn đưa ra câu trả lời cho nhiều bí ẩn của nhân loại.

Cơ học lượng tử tập trung vào cách thức hoạt động của các nguyên tử và hạt hạ nguyên tử, trong khi từ lượng tử dùng để chỉ hạt nhỏ nhất mà người ta có thể làm việc cùng. Đó là khối xây dựng cơ bản nhất của bất kỳ vật thể vật lý nào.

Từ Max Planck đến Albert Einstein, Neils Bohr và Erwin Schrödinger, nhiều nhà khoa học vĩ đại đã tham gia vào quá trình phát triển cơ học lượng tử và đỉnh cao cuối cùng của nó là cuộc đua điện toán lượng tử – một trong những cuộc đua công nghệ vĩ đại nhất thời đại chúng ta.

Bài viết này sẽ đưa bạn vào thế giới kỳ diệu của hiện tượng lượng tử, chỉ cho bạn cách tạo máy tính từ hiện tượng này và khám phá các lĩnh vực liên quan.

Hành động ma quái từ xa

Hiện tượng lượng tử thách thức sự hiểu biết thông thường và hoạt động theo các thuật ngữ hoàn toàn khác với vật lý cổ điển. Vì vậy, vào những năm 1930, Einstein đã sử dụng cụm từ "hành động kỳ lạ ở khoảng cách xa" để mô tả hiện tượng vướng víu lượng tử và cách nó không phù hợp với khoa học thông thường.

Sự vướng víu lượng tử không phải là điều gì mới mẻ. Nếu bạn tạo ra hai hạt ở cùng một nơi và cùng một thời điểm, thì chúng sẽ trở nên vướng víu. Nghĩa là bất cứ điều gì xảy ra với hạt này đều ảnh hưởng đến hạt kia.

Giống như việc phải lòng và nhận được cuộc gọi bất cứ khi nào bạn nghĩ đến người yêu của mình. Hoặc gọi điện và nghe thấy "Tôi vừa định gọi cho bạn". Những cặp song sinh giống hệt nhau cũng được biết là bị bệnh cùng lúc.

Phần đáng sợ nhất của sự vướng víu lượng tử là bạn có thể đưa một trong những hạt vướng víu đi xa. Và bất kỳ điều kiện nào bạn đặt nó vào sẽ ảnh hưởng đến hạt thứ hai ngay lập tức, thậm chí từ cách xa nửa thiên hà.

Máy tính lượng tử sử dụng đặc tính này để lưu trữ lượng thông tin khổng lồ trên nhiều hạt cùng một lúc. Các hạt này được gọi là qubit hoặc bit lượng tử, nhưng trước tiên, hãy xem xét hiện tượng cơ học lượng tử thứ hai.

Erwin Schrödinger và con mèo của ông

Một nhà nghiên cứu lượng tử thời kỳ đầu khác là nhà vật lý người Áo Erwin Schrödinger, người, giống như Albert Einstein, cũng thấy một số hiện tượng lượng tử là vô lý. Vì vậy, ông đã đưa ra thí nghiệm tư duy nổi tiếng hiện nay có tên là "con mèo của Schrödinger" để hình dung nghịch lý của sự chồng chập lượng tử.

Thí nghiệm này cho rằng nếu bạn cho một con mèo và thứ gì đó có thể giết chết con mèo vào một cái hộp và đóng kín lại. Bạn sẽ không biết con mèo đã chết hay còn sống cho đến khi bạn mở hộp. Vì vậy, theo logic, con mèo vừa chết vừa sống cho đến khi bạn mở hộp.

Chồng chập là hiện tượng thứ hai khiến máy tính lượng tử trở nên khả thi. Trong khi máy tính cổ điển hoạt động với các bit thông tin có thể biểu diễn 1 hoặc 0 tại bất kỳ thời điểm nào, máy tính lượng tử hoạt động với qubit (bit lượng tử) có thể biểu diễn cả 0 và 1 cùng một lúc, giống như con mèo vừa chết vừa sống.

Sau đây là cái nhìn sâu hơn về qubit.

Bit so với Qubit

Qubit là thứ làm cho máy tính lượng tử trở nên khả thi. Còn được gọi là bit lượng tử hoặc qbit, qubit là đơn vị năng lượng nhỏ nhất mà bạn có thể thao tác để lưu và lấy thông tin.

Một bit máy tính thông thường chỉ có thể là 0 hoặc 1 tại bất kỳ thời điểm nào. Trong khi một bit lượng tử có thể là cả hai cùng một lúc. Do đó, hai bit thông thường có thể chứa 00, 01, 10 và 11 tại bất kỳ thời điểm nào. Nhưng hai bit lượng tử có thể chứa cả bốn trạng thái cùng một lúc. Điều này có nghĩa là chu kỳ tính toán nhanh hơn 4 lần.

Với 3 bit thông thường, bạn có thể nhận được 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 và 111 tại bất kỳ thời điểm nào. Nhưng 3 qubit sẽ giữ tất cả tám trạng thái cùng một lúc, giúp bạn có chu kỳ tính toán nhanh hơn 8 lần. Như bạn thấy, mối quan hệ này là theo cấp số nhân, sau đó mỗi bit bổ sung sẽ tăng gấp đôi lượng thông tin có sẵn.

Vì vậy, với 5 qubit, bạn đang xem xét 32 trạng thái đồng thời, với 10 qubit, nó là hơn 1,000 trạng thái và ở 20 qubit, hơn một triệu. Bây giờ, hãy xem xét có bao nhiêu trạng thái Máy tính lượng tử 1,000 qubit mà IBM và Google đang phát triển có thể tồn tại đồng thời.

Bạn có thể tạo qubit từ photon, electron, hạt nhân nguyên tử, chấm lượng tử, chất siêu dẫnvà các triển khai khác. Mục tiêu là tạo ra một tập hợp ổn định các bit lượng tử năng lượng mà bạn có thể dễ dàng thiết lập và đo lường theo ý muốn.

Ưu điểm của điện toán lượng tử

Ưu điểm chính của máy tính lượng tử là kết quả tức thời từ các vấn đề phức tạp. Điều này chủ yếu xảy ra trong các tình huống mà bạn phải chọn câu trả lời đúng từ nhiều khả năng. Và điều này làm cho chúng trở nên tuyệt vời cho việc phân tích số, mô phỏng quy mô lớn và nhận dạng mẫu trong trí tuệ nhân tạo.

Cách tiếp cận chuẩn cho máy tính cổ điển là điều tra từng khả năng cho đến khi bạn tìm thấy thứ mình đang tìm kiếm. Thường được gọi là tìm kiếm bằng kim trong đống cỏ khô, thời gian thực hiện thao tác này phụ thuộc vào lượng cỏ khô hoặc hồ sơ bạn phải sàng lọc. Và tốc độ của máy.

Siêu máy tính giúp giải quyết những vấn đề như vậy dễ dàng hơn bằng cách tăng tốc độ kiểm tra từng khả năng. Ngược lại, máy tính lượng tử có thể tạo ra tất cả các khả năng cùng lúc, nếu có đủ qubit. Đó là lý do tại sao chúng có thể tính toán các vấn đề trong vài giờ mà máy tính thông thường sẽ mất hàng trăm đến hàng nghìn năm để tính toán.

Các vấn đề và hạn chế của máy tính lượng tử

Trong khi bạn có thể dễ dàng đo bit trong máy tính cổ điển, việc đo một qubit sẽ phá hủy trạng thái của nó và các qubit rối của nó.

Ngoài ra, các bit cổ điển được tạo ra từ nhiều loại vật liệu bán dẫn chỉ cần giữ điện tích (1) hoặc không (0). Tuy nhiên, qubit phức tạp hơn nhiều và khó triển khai hơn. Và ngoài việc cô lập qubit về mặt không gian, bạn cần phải bảo vệ nó khỏi sự can thiệp của môi trường, chẳng hạn như nhiệt độ và biến động tĩnh điện. Bởi vì những thay đổi nhỏ về môi trường như vậy cũng sẽ làm hỏng các trạng thái này.

Sự mất liên kết hoặc cân bằng hệ thống này được gọi là sự mất kết hợp lượng tử và là vấn đề chính mà hầu hết các nhà nghiên cứu đang cố gắng giải quyết. Nó nghiêm trọng đến mức máy 1,000 qubit sắp ra mắt của Google sẽ cần tới 1,000 qubit để sửa lỗi cho mỗi qubit. Do đó, nó trở thành máy 1 triệu qubit.

Điều này cũng có nghĩa là hiện tại bạn không thể xử lý máy tính lượng tử như máy tính xách tay hoặc điện thoại thông minh. Máy tính cần điều kiện phòng thí nghiệm để duy trì mức độ ổn định an toàn cho qubit của nó.

Một nhược điểm khác là phạm vi hạn chế của cái gọi là sự thống trị lượng tử, vì không phải mọi vấn đề tính toán đều liên quan đến khối lượng lớn các con số hoặc khả năng. Vì vậy, sự gia tăng tính toán trong hầu hết các hoạt động khác là quá nhỏ để biện minh cho cách tiếp cận tính toán lượng tử. Và trừ khi máy tính lượng tử trở nên rẻ hơn máy tính cổ điển, chúng cũng sẽ không thay thế chúng trong thời gian tới.

Bất chấp tất cả những nhược điểm này, máy tính lượng tử và qubit của chúng vẫn có rất nhiều tiềm năng trong ngành công nghiệp máy tính vì chúng có thể xử lý dễ dàng số lượng lớn.

Máy tính lượng tử có nguy hiểm không?

Vâng. Mọi hacker giỏi đều biết rằng mọi công nghệ đều có lỗ hổng. Bạn chỉ cần tìm ra nó. Vì vậy, bất kể việc triển khai thực tế của máy tính lượng tử trong tương lai, vẫn sẽ có vấn đề với công nghệ. Và những kẻ sẵn sàng lợi dụng chúng.

Kịch bản này đề cập đến các ứng dụng như ngân hàng, tài chính, chính phủ và các hoạt động công cộng tương tự. Kịch bản thứ hai là khi một tác nhân độc hại sử dụng sức mạnh đáng kinh ngạc của một máy tính lượng tử tốt để thực hiện một kỳ tích. Và như thường lệ, mọi người sẽ chỉ nhận thức được khả năng như vậy sau khi hành động đã được thực hiện.

Máy tính lượng tử hoạt động tốt với các con số. Vì vậy, các thuật toán mã hóa bất đối xứng sử dụng phân tích thừa số, chẳng hạn như RSA khóa công khai không an toàn. Ngược lại, băm và mật mã đối xứng, chẳng hạn như AES-256 và 512, cũng như SHA-256 và 512, tương đối an toàn.

Các ứng dụng khác của cơ học lượng tử

Mặc dù thế giới điện toán lượng tử rất thú vị, nhưng nó vẫn chỉ là một phần của cơ học lượng tử. Nói cách khác, bữa tiệc lượng tử chỉ mới bắt đầu.

Cơ học lượng tử đã đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của chất bán dẫn và điện tử hiện đại. Công việc cũng đang được tiến hành cho mạng lượng tử và mật mã, chẳng hạn như công ty có trụ sở tại Thụy Sĩ người tiên phong về mật mã lượng tử ID Quantique. Thêm vào đó, hiện tượng lượng tử cũng đã cho thấy triển vọng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu, bao gồm quang hợp, thụ thể khứu giác và thậm chí sự hiểu biết của chúng ta về thời gian.

Máy tính lượng tử trong thế giới thực

Có rất nhiều máy tính lượng tử và các ứng dụng tương tự. Chúng đến từ các công ty đa quốc gia lớn như Google và IBM, cũng như các chính phủ và thậm chí cả những công ty nhỏ hơn như Rigetti.

Máy tính lượng tử hiện là một trong những lĩnh vực nghiên cứu nóng nhất trên hành tinh. Vì vậy, có lẽ có nhiều chương trình bí mật hơn bạn có thể tưởng tượng. Dưới đây là một số dự án lớn:

• Google sở hữu máy 54 qubit và 72 qubit
• IBM sở hữu hơn 30 máy rải rác trên toàn cầu, bao gồm Manhattan 65 qubit
• Trung Quốc là nơi có nhiều máy tính lượng tử, bao gồm máy 76 qubit và thậm chí cả truyền thông vệ tinh lượng tử.
• Cỗ máy 54 qubit chạy bằng Sycamore của Google chỉ mất 200 giây để tính toán lượng dữ liệu mà các siêu máy tính phải mất 10,000 năm mới có thể tính toán được.
• IBM đang phát triển một máy 1,000 qubit vào năm 2023
• Rigetti Computing sở hữu bốn máy, bao gồm một máy 31 qubit
• Google đang xây dựng một trung tâm lượng tử mới để tạo ra máy tính 1,000 qubit vào năm 2029. Nếu tính cả lỗi hiệu chỉnh, tổng số qubit của máy tính đó có thể đạt tới 1 triệu.

Kết luận

Máy tính lượng tử sẽ tồn tại lâu dài. Vì chúng sẽ tạo ra nhiều cơ hội và giải quyết các vấn đề thực tế mà máy tính cổ điển đã phải vật lộn trong nhiều thập kỷ.

Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều việc phải làm và thách thức phải vượt qua trước khi chúng ta đạt được điều đó. Và cho đến lúc đó, Trung Quốc có thể sẽ làm cả thế giới ngạc nhiên.