Máy tính lượng tử là gì?

Máy tính lượng tử xử lý thông tin bằng các trạng thái lượng tử. Đơn vị cơ bản của chúng, qubit, có thể được chuẩn bị ở trạng thái siêu vị và được liên kết với các qubit khác thông qua rối lượng tử. Các cổng lượng tử điều chỉnh các biên độ sao cho hiện tượng giao thoa làm tăng xác suất của các kết quả đo hữu ích.

Máy tính lượng tử không chỉ đơn giản thử mọi đáp án đồng thời và đưa ra đáp án tốt nhất. Đo lường chỉ trả về một kết quả cổ điển hạn chế. Một thuật toán hữu ích phải cố ý tạo ra hiện tượng giao thoa và thường lặp lại mạch nhiều lần để ước lượng các xác suất.

Những điểm chính

• Qubit là các trạng thái lượng tử; các cổng điều khiển các biên độ và việc đo lường tạo ra các kết quả cổ điển.
• Rối lượng tử tạo ra các tương quan mà mô tả cổ điển có thể biểu diễn không hiệu quả, nhưng nó không mang lại tăng tốc toàn diện.
• Tiếng ồn giới hạn độ sâu mạch, vì vậy các hệ thống quy mô lớn hữu ích cần có sửa lỗi và nhiều qubit vật lý cho mỗi qubit logic.
• Ưu thế lượng tử phụ thuộc vào từng nhiệm vụ; tính toán cổ điển vẫn thiết yếu trong các quy trình lai.

Qubit, siêu vị và đo lường

Bit cổ điển được đọc là 0 hoặc 1. Qubit có thể được chuẩn bị như một tổ hợp có trọng số của các trạng thái cơ sở, được mô tả bằng các biên độ phức mà bình phương độ lớn quyết định xác suất đo lường. Các cổng quay và kết hợp các trạng thái này theo cách toán học được kiểm soát.

Đo lường không phải là việc đọc ra mọi biên độ. Nó tạo ra một kết quả như 0 hoặc 1 và làm thay đổi trạng thái. Do đó, các thuật toán sử dụng các lần chạy lặp lại, giao thoa được thiết kế cẩn thận và xử lý hậu xử lý cổ điển để rút ra một ước lượng hữu ích.

Rối lượng tử và mạch lượng tử

Rối lượng tử mô tả một trạng thái lượng tử chung không thể tách thành các trạng thái độc lập cho từng qubit. Nó có thể là một tài nguyên tính toán, nhưng rối lượng tử một mình không giải quyết được vấn đề. Một mạch kết hợp việc chuẩn bị trạng thái, các cổng một và hai qubit, đo lường và thường một bộ tối ưu hoá cổ điển.

Các thuật toán biến thể lai lặp đi lặp lại các mạch có tham số và cập nhật các tham số trên máy tính cổ điển. Chúng hấp dẫn cho các thí nghiệm ngắn hạn, mặc dù bằng chứng về lợi thế thực tiễn phải so sánh với các chuẩn cơ bản mạnh mẽ bao gồm tổng chi phí lấy mẫu và giảm lỗi.

Tiếng ồn và sửa lỗi lượng tử

Các qubit vật lý mất tính đồng nhất và các cổng gây ra lỗi. Thêm các thao tác nhiễu hơn có thể làm kết quả tệ hơn. Sửa lỗi lượng tử mã hoá một qubit logic trên nhiều qubit vật lý, phát hiện các hội chứng lỗi và sửa các lỗi mà không đo trực tiếp thông tin được bảo vệ.

Chi phí phụ thuộc cần thiết phụ thuộc vào tỷ lệ lỗi phần cứng, lựa chọn mã, kết nối và thuật toán mục tiêu. Vì vậy, số lượng qubit vật lý từ các hệ thống khác nhau không thể so sánh trực tiếp, và một số lượng qubit vật lý lớn không đồng nghĩa với một máy chịu lỗi lớn.

Nơi các thuật toán lượng tử có thể hữu ích

Các thuật toán đã biết cung cấp lợi thế lý thuyết cho các nhiệm vụ cụ thể như phân tích số nguyên, tìm kiếm không có cấu trúc và mô phỏng các hệ thống lượng tử. Nghiên cứu cũng khám phá tối ưu hoá và học máy, nhưng nhiều đề xuất vẫn chưa vượt qua phương pháp cổ điển tốt nhất dưới các giả định phần cứng thực tế và tải dữ liệu.

Một tuyên bố đáng tin cậy nên nêu rõ vấn đề, kích thước đầu vào, mô hình lỗi, mục tiêu độ chính xác, tiêu chuẩn so sánh cổ điển và ước tính tổng tài nguyên. “Thống trị lượng tử” hay “ưu thế lượng tử” là một tuyên bố thực nghiệm về một nhiệm vụ xác định, không phải bằng chứng cho thấy máy tính lượng tử nói chung nhanh hơn.

Máy tính lượng tử và an ninh mạng

Một máy tính lượng tử chịu lỗi đủ mạnh sẽ đe dọa các hệ thống khóa công khai phổ biến dựa trên phân tích số nguyên và logarit rời rạc. Nó không tự động phá vỡ mọi mật mã đối xứng hay hàm băm.

NIST đã hoàn thiện các tiêu chuẩn mật mã hậu lượng tử đầu tiên vào năm 2024, vì vậy các tổ chức nên kiểm kê các phụ thuộc mật mã và lên kế hoạch di chuyển trước khi một máy tính lượng tử có ý nghĩa mật mã xuất hiện. Đây là một vấn đề an ninh mạng và vòng đời dữ liệu vì dữ liệu đã mã hoá bị thu thập có thể vẫn có giá trị trong nhiều năm.

Qubit, cổng và thông tin lượng tử

Qubit được mô tả bằng một trạng thái lượng tử mà các biên độ quyết định xác suất đo lường. Siêu vị cho phép một trạng thái kết hợp các khả năng cơ sở, trong khi rối lượng tử tạo ra các tương quan không thể biểu diễn dưới dạng các qubit độc lập. Các cổng lượng tử là các phép biến đổi đơn vị có thể đảo ngược; một mạch chuẩn bị trạng thái, áp dụng các cổng và đo các bit cổ điển. Đo lường không tiết lộ trực tiếp các biên độ, vì vậy thuật toán phải sắp xếp giao thoa tăng các kết quả hữu ích và ức chế các kết quả khác. Song song lượng tử một mình không có nghĩa là mọi đáp án có thể được đọc đồng thời.

Qubit vật lý có thể sử dụng mạch siêu dẫn, ion bẫy, nguyên tử trung tính, photon, spin, hoặc các hệ thống khác. Mỗi nền tảng khác nhau về tốc độ cổng, kết nối, độ trung thực, độ đồng nhất, đo lường, điều khiển, làm lạnh và khả năng sản xuất. Tiếng ồn tích lũy trong quá trình tính toán. Sửa lỗi lượng tử mã hoá một qubit logic trên nhiều qubit vật lý và liên tục phát hiện lỗi mà không đo trực tiếp thông tin logic được bảo vệ. Các máy chịu lỗi hữu ích đòi hỏi tỷ lệ lỗi dưới ngưỡng và chi phí phụ đáng kể cho các cổng logic và giải mã.

Thuật toán, độ phức tạp và phần cứng hiện tại

Thuật toán Shor cung cấp khả năng phân tích số nguyên và logarit rời rạc trong thời gian đa thức trên một máy tính chịu lỗi đủ mạnh, thúc đẩy việc chuyển sang mật mã hậu lượng tử. Thuật toán Grover mang lại tăng tốc bậc hai cho tìm kiếm không có cấu trúc, không phải tăng tốc cấp số nhân. Mô phỏng lượng tử là mục tiêu tự nhiên vì các hệ thống lượng tử khó biểu diễn bằng cách cổ điển. Các thuật toán biến thể kết hợp các mạch lượng tử ngắn với tối ưu hoá cổ điển, nhưng tiếng ồn, khả năng huấn luyện và cạnh tranh cổ điển hạn chế bằng chứng về lợi thế thực tiễn trên các máy hiện nay.

Một tuyên bố về ưu thế lượng tử phải xác định nhiệm vụ, đầu vào, chất lượng đầu ra, thời gian phần cứng, lấy mẫu, tiền xử lý, giảm lỗi và chuẩn cơ bản cổ điển mạnh nhất trên tài nguyên tương đương. Chỉ số lượng qubit không đủ; độ sâu mạch, kết nối, độ trung thực và lỗi logic cũng quan trọng. Một số minh chứng giải quyết các vấn đề lấy mẫu được xây dựng đặc biệt với ứng dụng hạn chế. Truy cập đám mây hữu ích cho nghiên cứu và giáo dục, nhưng các khối công việc có thể phải chờ trong hàng đợi, phụ thuộc vào hiệu chuẩn độc quyền, và trả về các mẫu xác suất cần phân tích thống kê.

Lập kế hoạch có trách nhiệm cho máy tính lượng tử

Các tổ chức nên kiểm kê các giải pháp mật mã và bắt đầu quá trình chuyển đổi sang mật mã hậu lượng tử dựa trên tiêu chuẩn, không phụ thuộc vào dự đoán về một máy tính có ý nghĩa mật mã. Đối với các ứng dụng, xác định nút thắt tính toán cụ thể, ước tính tài nguyên logic, và so sánh với các thuật toán và phần cứng cổ truyền đang được cải tiến liên tục. Bảo vệ dữ liệu nhạy cảm gửi tới dịch vụ đám mây lượng tử và lưu giữ các bản ghi mạch, trình biên dịch và hiệu chuẩn có thể tái tạo. Máy tính lượng tử là một mô hình tính toán khác với các tăng tốc lý thuyết đã được chứng minh và tiến bộ kỹ thuật tích cực, nhưng nó không phải là sự thay thế chung cho CPU, GPU hay AI cổ điển.

Ví dụ thực tế: đánh giá một tuyên bố tối ưu hoá lượng tử

Một nghiên cứu logistics ánh xạ một tiểu vấn đề định tuyến vào một mạch lượng tử và so sánh với các thuật toán heuristics cổ điển. Đánh giá bao gồm mã hoá dữ liệu, biên dịch mạch, hàng đợi, lấy mẫu, giảm lỗi và giải mã kết quả, đồng thời báo cáo chất lượng giải pháp và thời gian thực. Nó sử dụng chuẩn cơ bản cổ điển mạnh nhất có sẵn trên các trường hợp vấn đề tương đương và giải thích liệu thiết bị lượng tử có giải quyết toàn bộ vấn đề kinh doanh hay chỉ một phần nhỏ được xây dựng.

Kết quả được lặp lại trên các hiệu chuẩn và kích thước khác nhau, với độ sâu mạch, lỗi hai‑qubit, số lần đo (shots) và tỷ lệ thất bại được công khai. Một kết quả biến thể nhiễu khớp với giải pháp cổ điển không được gọi là ưu thế lượng tử. Ước tính tài nguyên cho thấy số lượng qubit logic và chi phí phụ sửa lỗi cần thiết để mở rộng. Tổ chức cũng đồng thời bắt đầu kiểm kê mật mã hậu lượng tử vì việc di chuyển bảo mật này là thận trọng bất kể thí nghiệm tối ưu hoá có tạo ra giá trị ngắn hạn hay không.

Bằng chứng triển khai và sẵn sàng vận hành

Một quyết định sản xuất cần hơn một buổi trình diễn thành công. Xác định người dùng dự kiến, môi trường vận hành, đầu vào, đầu ra, các phụ thuộc, người sở hữu và hậu quả của mỗi lỗi quan trọng. Thiết lập một chuẩn cơ bản có thể tái tạo và một bộ đánh giá có phiên bản trước khi tinh chỉnh. Kiểm tra các trường hợp thường, điều kiện biên, đầu vào sai dạng hoặc thiếu, sự thay đổi phân phối, sự cố phụ thuộc, lạm dụng, và các nhóm hoặc môi trường có khả năng bị thiếu hụt. Đo lường chất lượng nhiệm vụ cùng với hiệu chuẩn hoặc độ không chắc, độ trễ, thông lượng, chi phí tài nguyên, khả năng tiếp cận, quyền riêng tư và bảo mật. Ghi lại mọi biến đổi và ngưỡng để một người đánh giá độc lập có thể tái tạo kết quả và phân biệt bằng chứng với một nguyên mẫu hấp dẫn.

Trước khi ra mắt, chỉ định quyền chịu trách nhiệm cho việc phát hành, ngoại lệ, thay đổi, quay lại và ngừng sử dụng. Sử dụng triển khai theo giai đoạn, duy trì một phương án dự phòng an toàn, và xác minh giám sát bằng cách chèn lỗi có chủ đích. Dữ liệu đo lường vận hành nên tiết lộ chất lượng đầu vào, hành vi đầu ra, phiên bản mô hình hoặc quy tắc, trạng thái phụ thuộc, can thiệp của con người và kết quả đã xác nhận mà không thu thập dữ liệu nhạy cảm không cần thiết. Định nghĩa ngưỡng cảnh báo và người chịu trách nhiệm phản hồi, sau đó xem xét bằng chứng thực tế sau khi triển khai thay vì giả định hiệu suất ngoại tuyến sẽ kéo dài. Đánh giá lại mỗi khi nguồn dữ liệu, người dùng, mô hình, nhà cung cấp, chính sách, phần cứng hoặc mục tiêu thay đổi. Một hệ thống được duy trì cũng cần có quy trình khôi phục, học hỏi từ sự cố, xóa và lưu trữ tài liệu, và một điểm rõ ràng khi nó nên bị vô hiệu hoá hoặc thay thế.

Câu hỏi thường gặp

Máy tính lượng tử có thay thế máy tính cổ điển không?

Không. Chúng là các bộ tăng tốc chuyên dụng cho các thuật toán cụ thể và sẽ phụ thuộc vào hệ thống cổ điển để điều khiển, biên dịch, mạng và xử lý hậu kỳ.

Qubit có đồng thời là 0 và 1 không?

Qubit có thể ở trong một siêu vị của các trạng thái cơ sở, nhưng việc đo lường trả về một kết quả cổ điển dựa trên xác suất của trạng thái. Cụm “cùng lúc là cả hai” là một cách diễn đạt không đầy đủ.

Tài liệu tham khảo chính

• NIST: Giải thích máy tính lượng tử
• NIST: Dự án mật mã hậu lượng tử
• NIST: Mật mã hậu lượng tử là gì?