Máy tính lượng tử là gì?

Máy tính lượng tử có khả năng làm tăng đáng kể tính đa dạng và độ chính xác của các phép tính, mở ra các ứng dụng mới cho máy tính và nâng cao các mô hình hiện tượng vật lý của chúng ta. Tuy nhiên, trong khi máy tính lượng tử ngày càng được đưa tin rộng rãi trên các phương tiện truyền thông, nhiều người vẫn không chắc máy tính lượng tử khác với máy tính thông thường như thế nào. Hãy cùng xem xét cách thức hoạt động của máy tính lượng tử, một số ứng dụng và tương lai sắp tới của chúng.

Máy tính lượng tử là gì?

Trước khi chúng ta có thể kiểm tra một cách có ý nghĩa cách máy tính lượng tử hoạt động, trước tiên chúng ta cần xác định máy tính lượng tử. Định nghĩa ngắn gọn của máy tính lượng tử là: một máy tính, dựa trên cơ học lượng tử, có thể thực hiện một số tính toán phức tạp với hiệu quả cao hơn nhiều so với máy tính truyền thống. Đó là một định nghĩa nhanh về máy tính lượng tử, nhưng chúng ta sẽ muốn dành chút thời gian để thực sự hiểu điều gì làm nên sự khác biệt của máy tính lượng tử với máy tính truyền thống.

Các máy tính thông thường mã hóa thông tin bằng hệ thống nhị phân: biểu thị từng bit dữ liệu dưới dạng một hoặc không. Chuỗi số XNUMX và số XNUMX được nối với nhau để thể hiện các khối thông tin phức tạp như văn bản, hình ảnh và âm thanh. Tuy nhiên, trong các hệ thống nhị phân này, thông tin chỉ có thể được lưu trữ dưới dạng các số XNUMX và XNUMX, nghĩa là có một giới hạn cứng đối với cách dữ liệu được biểu diễn và diễn giải và khi dữ liệu trở nên phức tạp hơn, nó nhất thiết phải trở thành các chuỗi số XNUMX ngày càng dài hơn và số không.

Lý do máy tính lượng tử có thể lưu trữ và giải thích dữ liệu hiệu quả hơn là vì chúng không sử dụng bit để biểu diễn dữ liệu, thay vào đó chúng sử dụng “qubit”. Qubit là các hạt hạ nguyên tử như photon và electron. Qubit có một số thuộc tính thú vị giúp chúng hữu ích cho các phương pháp tính toán mới. Qubit có hai thuộc tính mà các kỹ sư máy tính có thể tận dụng: chồng chất và vướng víu.

Sự chồng chất lượng tử cho phép các qubit tồn tại không chỉ ở trạng thái “một” hay “không”, mà còn dọc theo một chuỗi liên tục giữa các trạng thái này, nghĩa là có thể lưu giữ nhiều thông tin hơn bằng cách sử dụng qubit. Trong khi đó, rối lượng tử đề cập đến một hiện tượng trong đó các cặp qubit có thể được tạo ra và nếu một qubit bị thay đổi thì qubit kia cũng bị thay đổi theo một kiểu có thể dự đoán được. Các tính chất lượng tử này có thể được sử dụng để biểu diễn và cấu trúc dữ liệu phức tạp theo những cách hiệu quả hơn.

Máy tính lượng tử hoạt động như thế nào

Các “sự chồng chất” lượng tử được đặt tên từ thực tế là chúng có thể ở nhiều hơn một vị trí tại một thời điểm. Trong khi các bit chỉ có thể ở hai vị trí, qubit có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc.

Một phần nhờ vào sự tồn tại của chồng chất lượng tử, một máy tính lượng tử có khả năng tính toán nhiều kết quả tiềm năng khác nhau cùng một lúc. Sau khi tính toán xong, các qubit được đo, tạo ra kết quả cuối cùng thông qua sự sụp đổ của trạng thái lượng tử thành 0 hoặc 1, nghĩa là kết quả sau đó có thể được giải thích bằng máy tính truyền thống.

Các nhà nghiên cứu và kỹ sư điện toán lượng tử có thể thay đổi vị trí của các qubit bằng cách sử dụng vi sóng hoặc laser chính xác.

Các kỹ sư máy tính có thể tận dụng sự vướng víu lượng tử để cải thiện đáng kể khả năng xử lý của máy tính. Rối lượng tử đề cập đến thực tế là hai qubit có thể được liên kết với nhau theo cách mà việc thay đổi một trong các qubit sẽ làm thay đổi qubit kia theo cách đáng tin cậy. Người ta vẫn chưa hiểu đầy đủ tại sao qubit có thể thiết lập mối quan hệ như vậy hoặc cách thức hoạt động chính xác của hiện tượng này, nhưng các nhà khoa học hiểu nó đủ rõ để có thể tận dụng lợi thế của nó cho máy tính lượng tử. Do vướng víu lượng tử, việc bổ sung thêm qubit vào máy lượng tử không chỉ tăng gấp đôi sức mạnh xử lý của máy tính mà nó có thể mở rộng sức mạnh xử lý theo cấp số nhân.

Nếu tất cả điều này có vẻ hơi quá trừu tượng, chúng ta có thể mô tả cách thức chồng chất hữu ích bằng cách tưởng tượng một mê cung. Để một máy tính bình thường cố gắng giải một mê cung, nó phải thử từng đường đi của mê cung cho đến khi tìm thấy đường đi thành công. Tuy nhiên, một máy tính lượng tử về cơ bản có thể khám phá tất cả các con đường khác nhau cùng một lúc, vì nó không bị ràng buộc với bất kỳ trạng thái nhất định nào.

Tất cả những điều này để nói rằng các tính chất của sự vướng víu và chồng chất làm cho máy tính lượng tử trở nên hữu ích vì chúng có thể đối phó với sự không chắc chắn, chúng có khả năng khám phá nhiều trạng thái và kết quả khả dĩ hơn. Máy tính lượng tử sẽ giúp các nhà khoa học và kỹ sư mô hình hóa tốt hơn và hiểu các tình huống đa diện, với nhiều biến số.

Máy tính lượng tử được sử dụng để làm gì?

Bây giờ chúng ta đã có trực giác tốt hơn về cách máy tính lượng tử hoạt động, hãy cùng khám phá khả năng có thể trường hợp sử dụng cho máy tính lượng tử.

Chúng tôi đã đề cập đến thực tế là máy tính lượng tử có thể được sử dụng để thực hiện các phép tính truyền thống với tốc độ nhanh hơn nhiều. Tuy nhiên, công nghệ máy tính lượng tử có thể được sử dụng để đạt được những điều thậm chí không thể thực hiện được hoặc rất phi thực tế với máy tính truyền thống.

Một trong những ứng dụng hứa hẹn và thú vị nhất của máy tính lượng tử là trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo. Máy tính lượng tử có khả năng cải thiện các mô hình được tạo bởi mạng lưới thần kinh, cũng như phần mềm hỗ trợ chúng. Google hiện đang sử dụng máy tính lượng tử của mình để hỗ trợ trong việc tạo ra các phương tiện tự lái.

Máy tính lượng tử cũng có một vai trò trong việc phân tích tương tác hóa học và phản ứng. Ngay cả những máy tính thông thường tiên tiến nhất cũng chỉ có thể lập mô hình các phản ứng giữa các phân tử tương đối đơn giản, mà chúng đạt được bằng cách mô phỏng các tính chất của các phân tử được đề cập. Tuy nhiên, máy tính lượng tử cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra các mô hình có các đặc tính lượng tử chính xác như các phân tử mà họ đang nghiên cứu. Mô hình phân tử nhanh hơn, chính xác hơn sẽ hỗ trợ tạo ra các loại thuốc điều trị mới và vật liệu mới để sử dụng trong việc tạo ra công nghệ năng lượng, chẳng hạn như các tấm pin mặt trời hiệu quả hơn.

Máy tính lượng tử cũng có thể được sử dụng để dự đoán thời tiết tốt hơn. Thời tiết là nơi hợp lưu của nhiều sự kiện và các công thức được sử dụng để dự đoán các kiểu thời tiết rất phức tạp, chứa nhiều biến số. Có thể mất một thời gian rất dài để thực hiện tất cả các tính toán cần thiết để dự đoán thời tiết, trong thời gian đó các điều kiện thời tiết có thể tự thay đổi. May mắn thay, các phương trình được sử dụng để dự đoán thời tiết có bản chất sóng mà máy tính lượng tử có thể khai thác. Máy tính lượng tử có thể giúp các nhà nghiên cứu xây dựng các mô hình khí hậu chính xác hơn, điều cần thiết trong một thế giới nơi khí hậu đang thay đổi.

Máy tính lượng tử và thuật toán cũng có thể được sử dụng để giúp đảm bảo quyền riêng tư dữ liệu của mọi người. Mật mã học lượng tử sử dụng nguyên lý bất định lượng tử, trong đó mọi nỗ lực đo lường một đối tượng đều dẫn đến thay đổi đối với đối tượng đó. Nỗ lực chặn thông tin liên lạc sẽ ảnh hưởng đến kết quả liên lạc và đưa ra bằng chứng giả mạo.

Tương lai của máy tính lượng tử

Hầu hết việc sử dụng máy tính lượng tử sẽ chỉ giới hạn trong các học giả và doanh nghiệp. Người tiêu dùng/công chúng nói chung sẽ không nhận được điện thoại thông minh lượng tử, ít nhất là không sớm. Điều này là do nó yêu cầu thiết bị chuyên dụng để vận hành máy tính lượng tử. Máy tính lượng tử rất nhạy cảm với nhiễu loạn, vì ngay cả những thay đổi nhỏ nhất trong môi trường xung quanh cũng có thể khiến các qubit dịch chuyển vị trí và thoát khỏi trạng thái chồng chất. Điều này được gọi là sự mất kết hợp, và đó là một trong những lý do khiến những tiến bộ trong máy tính lượng tử dường như đến rất chậm so với máy tính thông thường. Máy tính lượng tử thường cần hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cực thấp, cách ly với các thiết bị điện khác.

Ngay cả với tất cả các biện pháp phòng ngừa, tiếng ồn vẫn có thể tạo ra lỗi trong tính toán và các nhà nghiên cứu đang tìm cách làm cho các qubit trở nên đáng tin cậy hơn. Để đạt được uy quyền lượng tử, trong đó máy tính lượng tử làm lu mờ hoàn toàn sức mạnh của siêu máy tính hiện tại, các qubit cần phải được liên kết với nhau. Một máy tính tối cao lượng tử thực sự có thể yêu cầu hàng nghìn qubit, nhưng những máy tính lượng tử tốt nhất hiện nay có thể thường chỉ xử lý khoảng 50 qubit. Các nhà nghiên cứu đang không ngừng nỗ lực để tạo ra các qubit ổn định và đáng tin cậy hơn. Các chuyên gia trong lĩnh vực máy tính lượng tử dự đoán rằng các thiết bị lượng tử mạnh mẽ và đáng tin cậy có thể ở đây trong vòng một thập kỷ.