Máy tính lượng tử cuối cùng đã xuất hiện. Nhưng nó là gì?

Cách đây khoảng 40 năm, các nhà vật lý đã đưa ra giả thuyết rằng có thể tận dụng các nguyên lý phức tạp của vật lý lượng tử để tạo ra một loại máy tính mạnh mẽ hơn nhiều so với máy tính thông thường, nó được gọi là “máy tính lượng tử”.

Hiện nay, nhờ những tiến bộ vượt trội về khoa học – công nghệ, ý tưởng về “máy tính lượng tử” đã tiến gần hơn đến hiện thực.

Các nhà khoa học đang chạy đua để phát triển những cỗ máy có độ chính xác cao, đủ khả năng mô phỏng các hiện tượng phức tạp trong thế giới thực, hứa hẹn mang lại những đột phá lớn trong các lĩnh vực như:

1. Phát triển thuốc
2. Mô hình tài chính
3. Trí tuệ nhân tạo

Máy tính lượng tử có gì hấp dẫn?

Máy tính lượng tử có thể làm được những việc mà máy tính thông thường không thể.

Vào tháng 12 vừa qua, Google công bố bộ xử lý lượng tử mới nhất của họ, Willow, đã giải quyết một vấn đề chỉ trong năm phút – điều mà ngay cả siêu máy tính mạnh nhất thế giới cũng không thể làm, dù đã nghiên cứu vấn đề này suốt hàng tỷ năm.

Máy tính lượng tử thường được giao những nhiệm vụ mà máy tính thông thường gặp khó khăn do có quá nhiều yếu tố biến đổi.

Ưu điểm lớn nhất của chúng là khả năng mô phỏng các hệ thống phức tạp với nhiều tham số biến đổi khi tương tác lẫn nhau.

Ví dụ:

• Máy tính lượng tử có thể mô phỏng hành vi của các phân tử, giúp rút ngắn thời gian phát triển thuốc mới.
• Hoặc dự báo thị trường chính xác hơn bằng cách mô phỏng quyết định của các tác nhân kinh tế.

Tuy nhiên, máy tính lượng tử không được kỳ vọng sẽ thay thế các công việc đơn giản nhưng nặng nhọc mà máy tính hiện nay đang làm, như xử lý một lượng nhỏ dữ liệu theo trình tự lớn.

Ai đang xây dựng máy tính lượng tử?

D-Wave Quantum Inc., một công ty do người Canada thành lập và có trụ sở chính tại California, đã trở thành đơn vị tiên phong khi bán máy tính lượng tử đầu tiên vào năm 2011.

Theo sau đó, các tập đoàn lớn như International Business Machines Corp., Google của Alphabet Inc., Amazon Web Services, và nhiều công ty khởi nghiệp khác cũng đã chế tạo thành công được máy tính lượng tử có thể hoạt động.

Gần đây, những bước tiến lớn hơn đã được ghi nhận từ các công ty như Microsoft Corp. trong việc phát triển siêu máy tính lượng tử với khả năng mở rộng và ứng dụng thực tế.

Trong khi đó, Intel Corp. đã bắt đầu cung cấp chip lượng tử silicon cho các nhà nghiên cứu. Các chip này chứa các bóng bán dẫn, được gọi là qubit (bit lượng tử), nhỏ hơn tới 1 triệu lần so với các loại qubit khác.

Google, IBM, Universal Quantum và PsiQuantum Corp. dự kiến sẽ ra mắt siêu máy tính lượng tử vào cuối thập kỷ này.

Đồng thời, Trung Quốc cũng đang xây dựng một phòng thí nghiệm quốc gia trị giá 10 tỷ đô la để thúc đẩy nghiên cứu trong lĩnh vực lượng tử, cho thấy sự cạnh tranh ngày càng khốc liệt trong cuộc đua phát triển công nghệ tiên tiến này.

Máy tính lượng tử hoạt động như thế nào?

Máy tính lượng tử sử dụng các mạch nhỏ để thực hiện phép tính, tương tự như máy tính truyền thống, nhưng thay vì xử lý từng phép tính một cách tuần tự, chúng thực hiện theo cách song song.

Điều này giúp máy tính lượng tử nhanh hơn rất nhiều so với máy tính thông thường.

Trong máy tính thông thường thông tin được xử lí bằng các đơn vị gọi là bit, mỗi bit có thể có giá trị 0 hoặc 1, tương ứng với việc cổng logic của chip máy tính đang mở hay đóng.

Trước khi xử lý phần thông tin tiếp theo, máy tính truyền thống phải gán giá trị cho bit trước đó.

Ngược lại, máy tính lượng tử sử dụng qubit, nhờ đặc tính “xác suất” của cơ học lượng tử, các qubit không cần gán giá trị cho đến khi phép tính hoàn tất, được gọi là “chồng chập“.

Ba qubit có thể xử lý đồng thời tất cả tám trạng thái (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111), trong khi ba bit chỉ xử lý một trạng thái tại một thời điểm.

Theo lý thuyết, một máy tính lượng tử có 4 qubit có thể xử lý lượng thông tin gấp 16 lần máy tính thông thường cùng kích thước, và công suất sẽ tăng gấp đôi với mỗi qubit thêm vào.

Đây chính là lý do máy tính lượng tử có thể xử lý thông tin nhanh hơn gấp nhiều lần so với máy tính thông thường.

Nó trả về kết quả như thế nào?

Khi thiết kế máy tính truyền thống, các kỹ sư phải đảm bảo rằng mỗi bit hoạt động độc lập với các bit khác.

Tuy nhiên, các qubit trong máy tính lượng tử lại có tính chất “rối”, nghĩa là trạng thái của một qubit bị ảnh hưởng bởi các qubit xung quanh nó.

Điều này trở thành một lợi thế vì thông tin có thể được truyền nhanh hơn giữa các qubit khi chúng cùng làm việc để tìm ra giải pháp.

Khi chạy thuật toán lượng tử, các kết quả trái ngược (và không chính xác) từ các qubit sẽ tự động hủy lẫn nhau, trong khi những kết quả đồng nhất (và có khả năng đúng) sẽ được khuếch đại.

Hiện tượng này, gọi là tính mạch lạc, giúp máy tính lượng tử đưa ra kết quả mà nó cho là chính xác nhất.

Làm thế nào để tạo ra qubit?

Về lý thuyết, bất kỳ vật thể nào có thể biểu hiện các đặc tính cơ học lượng tử và được kiểm soát đều có thể dùng để tạo ra qubit.

Nhiều qubit hiện nay được làm từ chất bán dẫn, với các công ty như IBM, D-Wave và Google sử dụng các vòng dây siêu dẫn nhỏ.

Một số nhà khoa học tạo ra qubit bằng cách điều khiển các ion bị bẫy, xung photon hoặc spin của electron.

Tuy nhiên, những phương pháp này yêu cầu điều kiện rất đặc biệt, như nhiệt độ cực kỳ lạnh, thậm chí lạnh hơn cả trong không gian.

Cần bao nhiêu qubit?

Cần rất nhiều qubit!

Mặc dù qubit có thể xử lý lượng thông tin lớn hơn nhiều so với bit thông thường, nhưng tính không ổn định của chúng làm tăng nguy cơ bị lỗi.

Lỗi xảy ra khi các qubit mất sự đồng bộ với nhau. Các nhà khoa học đang phát triển các thuật toán để sửa lỗi này, nhưng điều đó yêu cầu phải thêm nhiều qubit hơn.

Các nhà khoa học ước tính rằng một máy tính lượng tử cần hàng triệu, thậm chí hàng tỷ qubit để chạy các chương trình thương mại một cách ổn định.

Hiện tại, kỷ lục kết nối qubit là 1.180, do công ty Atom Computing ở California thiết lập vào tháng 10 năm 2023, gấp đôi kỷ lục trước đó của IBM (433 qubit) vào tháng 11 năm 2022.

Việc kết nối đủ số qubit là một thử thách lớn, vì khi máy tính lượng tử càng lớn, nó càng sinh ra nhiều nhiệt, khiến các qubit dễ mất ổn định.

Chip Willow của Google được coi là một bước tiến lớn vì nó giảm được tỷ lệ lỗi ngay cả khi số lượng qubit tăng lên.

Khi nào tôi nhận được máy tính lượng tử?

Điều này phụ thuộc vào mục đích sử dụng của bạn.

Hiện nay, các học giả đã giải quyết những vấn đề phức tạp bằng các máy tính có hơn 100 qubit thông qua nền tảng đám mây IBM Quantum, mà bất kỳ ai cũng có thể thử, miễn là biết cách lập trình mã lượng tử.

Các nhà khoa học kỳ vọng rằng trong vòng một thập kỷ tới, máy tính lượng tử “phổ quát” sẽ sẵn sàng cho các ứng dụng thương mại.

Tuy nhiên, một nhược điểm lớn của máy tính lượng tử là khả năng phá vỡ các hệ thống mã hóa hiện tại.

Chính vì thế, các chính phủ đã bắt đầu ban hành các chính sách bảo vệ, và các công ty đang đầu tư hàng triệu đô la để bảo vệ hệ thống máy tính khỏi nguy cơ bị phá vỡ bởi công nghệ lượng tử.

Tài nguyên tham khảo

• Hướng dẫn dành cho người mới bắt đầu sử dụng máy tính lượng tử của IBM .
• Tạp chí Công nghệ MIT đã nghiên cứu những ứng dụng khả thi của máy tính lượng tử.
• McKinsey đã chỉ ra những cách khác nhau để chế tạo qubit.