Máy tính lượng tử, một cụm từ ghép từ “máy tính” và “lượng tử”. Đối với chúng ta, hẳn chiếc máy tính desktop hay laptop đã trở thành một vật không thể thiếu trong đời sống. Từ những công việc nhỏ nhất cho đến lớn nhất, xã hội hiện nay không thể nào vận hành thiếu máy tính. Thế còn lượng tử? Đây vốn là một khái niệm thuộc chuyên nghành vật lý và khá xa lạ với đời sống hằng ngày. Và cũng như thế, máy tính lượng tử là một chủ đề mới nổi trong những năm gần đây.
Vậy nó là gì? Khả năng của nó như thế nào? Chúng đang dần ảnh hưởng đến chúng ta như thế nào? Viễn cảnh nhà nhà sử dụng máy tính lượng tử sẽ xảy ra trong tương lai không xa? Hãy cùng nhau giải đáp những câu hỏi đó trong bài viết này bạn nhé.
Máy tính lượng tử là gì?
Như một định luật, khi ta gắn từ “lượng tử” vào bất cứ lĩnh vực nào, chúng đều trở nên “xịn” hơn vài phần. Không chỉ về hình thức mà cả về cách thức, máy tính lượng tử là một sự phát triển vượt bậc so với máy tính thông thường.
Khái niệm máy tính lượng tử.
Để đi vào khái niệm của nó, tôi nghĩ chúng ta nên bắt đầu từ những khái niệm cơ bản nhất, đó chính là “lượng tử”.
Lượng tử là gì?
“Lượng tử” – “Quantum” đây vốn là một khái niệm trong trong vật lý. Nó ám chỉ lượng nhỏ nhất của một thuộc tính vật lý có thể đo đạc được, đặc biệt là đối với năng lượng.
Và đối với “lượng tử hóa” điều này ám chỉ việc “định danh” ra số lượng nhỏ nhất đấy. Với khái niệm này, ta có thể phân lượng các thuộc tính vật lý thành bội lượng tử của thuộc tính đó. Ví dụ với các loại bức xạ điện từ (ánh sáng, tia tử ngoại/ hồng ngoại,…) thì lượng tử của nó chính là một photon.
Điện toán lượng tử là gì?
Đó là một lĩnh vực đa nghành. Và mang nhiều khía cạnh khác nhau giữa vật lý, khoa học máy tính và toán học vận dụng cơ học lựng tử. Nó được sinh ra để giải quyết những vấn đề phức tạp mà tưởng chừng như không thể so với máy tính “cổ điển”.
Với các đặc tính vật lý từ cơ học lượng tử như trạng thái chồng chất hoặc giao thoa chẳng hạn. Tận dụng và áp dụng vào máy tính lượng tử chúng ta đã cho ra đời một hệ thống sử lý siêu việt. Các ứng dụng của chúng đã được áp dụng vào các lĩnh vực như học máy (machine learning), mô phỏng vật lý và cho ra những kết quả vượt trội.
Qubit – Khái niệm thay đổi điện toán truyền thống.
Máy tính mới, khái niệm mới, phương thức mới và đương nhiên rồi, kiểu bit mới. Qubit là một vấn đề cốt lõi trong máy tính lượng tử. Nó chính là vấn đề mấu chốt dẫn đến sự vượt trội của máy tính lượng tử.
Bit truyền thống – hệ nhị phân.
Hệ nhị phân nhị phân (binary) – là khái niệm dùng để chỉ dữ liệu trạng thái của các bit truyền thống. Ở các bit truyền thống ta có hai giá trị hoặc là 0 (thấp/ tắt), hoặc là 1 (cao/ bật). Với 1 bit chỉ biểu thị được hoặc trạng thái 0 hoặc 1, việc tính toán cũng như lưu trữ sẽ gặp giới hạn rất lớn. Hãy lấy một dãy dư liệu 8 bit ra làm ví dụ, chúng sẽ có định dạng là [-][-][-][-][-][-][-][-]. Với mỗi bit ta có thể có 2 giá trị, vì thế nên số giá trị ta có thể tạo được từ 8 bit sẽ là 28 = 256 giá trị.
Bạn sẽ nghĩ rằng, việc tạo ra được 256 giá trị từ 8 bit là đáng kể ư? Không hề! Nếu ta xét những hệ thống dữ liệu lớn lến đến hàng ty tỷ giá trị thì các bit vẫn là quá giưới hạn.
Qubit là gì? Sự vượt trội của chúng ra sao.
Qubit – bit lượng tử, chúng được biểu diễn bằng các hạt lượng tử. Cốt lõi ở khả năng xử lý của máy tính lượng tử xuất phát từ việc “điều khiển” qubit. Với vai trò tương tự với các bit trong máy tính truyền thống. Nền tảng của các bộ xử lý lượng tử đều dựa trên việc xử lý, thao tác với các qubit này. Từ đó, sự vượt trội của qubit chính là tiền đề mang đến tính siêu việt của máy tính lượng tử.
Dựa trên các định luật của cơ học lượng tử, đặc biệt là trạng thái chồng chất. Giá trị của một bit không chỉ dừng lại ở con số 0 hoặc 1 mà còn có thể cả 0 và 1 cùng lúc. Điều này nghe tuy vô lý và khá là “cấn”, vì thế tại sao ta không cùng tìm hiểu chúng bạn nhỉ?
Các nguyên tắc trong điện toán lượng tử.
Chồng chập, liên đới và mất liên kết đó là các thuật ngữ quan trọng trong điện toán lượng tử. Để hiểu được về máy tính lượng tử, đó là các kiến thức tiên quyết ta cần biết.
Nguyên lý chồng chập.
Chồng chập lượng tử là từ ám chỉ việc dùng nguyên lý chồng chập vào cơ học lượng tử. Nguyên lý này được phát biểu như sau: “tác động của hai hay nhiều hiện tượng lên cùng một vị trí tại một thời điểm bằng tổng các tác động của từng hiện tượng riêng lẽ”.
Điều này có nghĩa rằng khi một hệ lượng tử được phát hiện ở hoặc trạng thái A hoặc trạng thái B, các tính chất của hai trạng thái đấy là khác nhau. Thông qua nguyên lý chồng chập, nó có thể được phát hiện ở trạng thái tổ hợp của chúng: aA+bB, trong đó a và b là tham số với giá trị bất kỳ.
Nguyên tắc này có thể phân tích hoạt động của một hệ vật lý thành các hệ “cơ bản” riêng. Vì thế nên các qubit mang lại tính “song song”. Cho phép chúng có thể xử lý hàng triệu thao tác cùng lúc.
Liên đới lượng tử.
Đây là một hiệu ứng trong cơ học lượng tử mà trong đó trạng thái lượng tử (vị trí, xung lượng, spin,…) của nhiều vật thể có liên hệ với nhau. Sự tương quan này diễn ra bất kể không – thời, tức là bất kể khoảng cách và thời gian. Đúng vậy, bạn không đọc nhầm và chúng tôi cũng không cường điệu.
Khi nhiều lượng tử có sự liên đới với nhau ở một phương diện trạng thái lượng tử nhất định. Phương diện trạng thái lượng tử đó ở mỗi lượng tử sẽ bị ràng buộc bất kể khoảng cách và diễn ra ngay lập tức. Ví dụ: ở hai hạt có sự liên đới về spin (quay) là 0. Khi hạt 1 có spin là dương 1 thì hạt 2 phải có spin là âm 1 (tổng =0). Hoặc khi hạt 2 có spin là âm ½ thì hạt 1 phải có spin là dương ½.
Khi áp dụng vào các qubit của máy tính lượng tử. Hiện tượng liên đới cho phép máy tính lượng tử có khả năng giải quyết các vấn đề nhanh hơn. Không những thế, ở một cái nhìn xa hơn chúng có thể được ứng dụng trong công nghệ viễn tải lượng tử. Giúp việc vận chuyển thông tin được di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng.
Sự mất liên kết.
Mất mát vốn là cụm từ chưa bao giờ mang lại cho ta một cảm giác dễ chịu. Và sự mất liên kết trong các hạt lượng tử (của qubit) cũng thế. Các yếu tố mối trường có thể khiến trạng thái lượng tử của các qubit sụp đổ. Đây là bài toán cần lời giải lớn nhất trong việc xây dựng máy tính lượng tử. Hướng giải quyết hiện nay đó chính là cố gắng trì hoãn sự mất liên kết của trạng thái.
Các thành phần của máy tính lượng tử là gì?
Máy tính lượng tử cũng bao gồm 2 phần đó là phần cứng và phần mềm.
Phần cứng lượng tử: Gồm 3 thành phần chính sau đây.
- Mặt phẳng dữ liệu: Đây là cốt lõi của máy tính lượng tử. Nó bao gồm những qubit vật lý cũng như các hệ thống cần thiết để giữ chúng ở đúng chỗ.
- Mặt phẳng điều khiển và đo lường: Nhiệm vụ của chúng là chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số thành tín hiệu liên tục hoặc điều khiển sóng. Các tín hiệu đấy sẽ thực hiện các thao tác trên qubit.
- Mặt phẳng bộ xử lý điều khiển và bộ xử lý máy chủ: Đây là nơi thực hiện các thuật toán lượng tử hoặc chuỗi thao tác.
Phần mềm lượng tử:
Máy tính lượng tử thực hiện các thuật toán với tính độc nhất vốn có qua các mạch lượng tử. Nó là một quy trình điện toán thường xuyên xác định loạt các thao tác logic lượng tử trên qubit. Ta có thể sử dụng các công cụ hoặc thư viện để viết mã các thuật toán đấy.
Công nghệ máy tính lượng tử hiện nay
Ta đã có một cái nhìn sơ bộ về các khái niệm cơ bản của máy tính lượng tử. Thế còn tình hình thực tế ra sao?
Sức mạnh của máy tính lượng tử.
Vào tháng 8 năm 2022, Vivek Wadhwa và Muritz Kop đã có một bài viết. Trong bài viết đó họ có nói rằng “Nếu các dự án hiện có trên khắp thế giưới thành công, các cỗ máy này sẽ vô cùng mạnh mẽ, thực hiện các nhiệm vụ chỉ trong vài giây mà máy tính thuông thường phải mất hàng triệu năm mới thực hiện được”.
Thật vậy chỉ tính riêng đầu năm ngoái, tốc độ xử lý của máy tính lượng đã nhanh hơn 158 triệu lần so với các siêu máy tính. Một công việc xử lý trong 4 phút với máy tính lượng tử có thể khiến các cỗ máy cổ điển mất cả 10 000 năm.
Với sức mạnh giải mã gần như là vô hạn của mình. Ở viễn cảnh các đơn vị tình báo được trang bị máy tính lượng tử. Mã hóa RSA 2048-bit sẽ được họ phá vỡ trong chưa đầy 8 tiếng. Với các siêu máy tính truyền thống, chúng sẽ phải mất khoảng 300 nghìn tỷ năm.
Các ứng dụng hiện nay của máy tính lượng tử.
Hiện nay, máy tính lượng tử đang được áp dụng vào các công việc như:
Máy học (machine learning): Tốc độ xử lý cao là đặc điểm để phân tích dữ liệu lớn. Với mục đích để các máy tính tự đưa ra các dự đoán và quyết định tốt hơn. Đây là một ứng dụng mang đầy tính hứa hẹn của máy tính lượng tử.
Tối ưu hóa: Để tối ưu chuỗi cung ứng, hệ thống, quy trình sản xuất. Việc áp dụng sức mạnh của máy tính lượng tử sẽ tạo ra các thuật toán thích hợp. Điều đó sẽ mang lại các lợi ích thiết thực cho doanh nghiệp cũng như hệ thống tài chính.
Mô phỏng: Với thế mạnh về tốc độ xử lý của mình. Các mô hình mô phỏng sẽ có thể được điều chỉnh quy mô cận thực tế nhất có thể. Điều này sẽ tăng độ chính xác của quá trình mô phỏng. Từ đó có thể áp dụng cho những yêu cầu về mô phỏng về vật lý, hóa học, sinh học. Hay cụ thể là lĩnh vực y tế, ta có thể tạo ra những phương thuốc, cách điều trị mới. Từ đó có thể chữa trị được những căn bệnh mà tưởng chừng không thể ở hiện tại.
Sự phát triển đấy rồi sẽ đi đến đâu?
Hãy phóng tầm mắt đến một tương lai xa hơn nơi máy tính lượng tử được bình dân hóa. Điều này có nghĩa rằng mọi người đều có khả năng sử dụng máy tính lượng tử. Chúng sẽ thay đổi toàn bộ các khía cạnh của cuộc sống từ lớn đến nhỏ.
Đối với công nghệ lượng tử hiện nay thì chúng ta chỉ mới ở bước khởi đầu. Những khó khăn trong việc phát triển vẫn đang dần được khắc phục với các hướng khác nhau. Bên cạnh những thành tựu đáng ngạc nhiên về phát triển. Các công ty nghiên cứu cũng đã đặt ra những mục tiêu tăng trưởng ở mức “nhảy vọt”. Ta đã được chứng kiến sự phát triển của các vi xử lý cũng như các linh kiện điện tử. Còn đối với máy tính lượng tử, chúng được kỳ vọng rằng sẽ có tốc độ phát triển vượt bậc.
Tuy nhiên, các ý kiến trái chiều cũng như mối lo ngại phát sinh là điều không thể tránh khỏi. Để giải đáp hết tất cả những câu hỏi, ta cần phải nhìn vào thực trạng khách quan và thời gian sau này để đưa ra được câu trả lời. Còn đối với chúng tôi, mong rằng bài viết này đã có thể giúp ích cho bạn. Hẹn gặp các bạn ở những bài viết tiếp theo ⋆⋆⋆⋆⋆⋆⋆⋆.
Có thể bạn muốn đọc thêm: Trí tuệ nhân tạo – tiềm năng vô hạn đi kèm mối nguy vô biên?
