Máy tính lượng tử

Máy tính lượng tử (còn gọi là siêu máy tính lượng tử) là một thiết bị tính toán sử dụng trực tiếp các hiệu ứng của cơ học lượng tử như tính chồng chập và vướng víu lượng tử để thực hiện các phép toán trên dữ liệu đưa vào. Máy tính lượng tử có phần cứng khác hẳn với máy tính kỹ thuật số dựa trên tranzitor. Trong khi máy tính kỹ thuật số đòi hỏi dữ liệu phải được mã hóa thành các chữ số nhị phân (bit), mà mỗi số được gán cho một trong hai trạng thái nhất định (0 hoặc 1), tính toán lượng tử sử dụng các qubit (bit lượng tử) mà chúng có thể ở trong trạng thái chồng chập lượng tử. Một trong các mô hình lý thuyết về máy tính lượng tử là máy Turing lượng tử hay còn gọi là máy tính lượng tử phổ dụng. Máy tính lượng tử có những đặc điểm lý thuyết chung với máy tính phi tất định (non-deterministic) và máy tính xác suất (probabilistic automaton computers), với khả năng có thể đồng thời ở trong nhiều trạng thái. Lĩnh vực máy tính lượng tử được Yuri Manin nêu ra lần đầu tiên vào năm 1980 và bởi Richard Feynman năm 1982. Máy tính lượng tử sử dụng tính chất spin đại diện cho các bit lượng tử cũng được hình thành khi khái niệm không thời gian lượng tử được đưa ra vào năm 1969.

Tính đến năm 2014 tính toán lượng tử vẫn ở giai đoạn sơ khai nhưng đã có nhiều thí nghiệm nhằm thực hiện các phép tính lượng tử trên một số nhỏ các qubit. Cả phương diện thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết đều đang được triển khai, và chính phủ cũng như quân đội nhiều nước đã hỗ trợ cho các hoạt động nghiên cứu máy tính lượng tử ở cả mục đích dân sự và an ninh, như phân tích mã (cryptanalysis).

Máy tính lượng tử quy mô lớn sẽ có khả năng giải được các vấn đề phức tạp một cách nhanh hơn bất kỳ một máy tính cổ điển sử dụng các thuật toántốt nhất hiện nay, như thuật toán Shor để phân tích số tự nhiên thành tích các số nguyên tố, hoặc mô phỏng hệ lượng tử nhiều hạt. Cũng có những thuật toán lượng tử, như thuật toán Simon, cho phép máy tính hoạt động nhanh hơn bất kỳ một máy tính dựa trên thuật toán xác suất cổ điển. Tuy nhiên, khi có đủ thời gian và tài nguyên, máy tính cổ điển có thể thực hiện bất kỳ một thuật toán lượng tử. Tính toán lượng tử không vi phạm giả thuyết Church–Turing.

Công nghệ máy tính lượng tử sẽ thay đổi thế 

giới như thế nào

Những siêu máy tính với tốc độ xử lý chóng mặt dựa vào sức mạnh của nền tảng vật lý lượng tử sẽ là nhân tố chủ chốt của công nghệ máy tính tương lai. Đó là nhận định của người đồng sáng lập ra công ty máy tính lượng tử D-Wave, Eric Ladizinsky.

Điểm mấu chốt là máy tính thông thường sẽ phải giải quyết một vấn đề tại một thời điểm trong một chuỗi các sự kiện, nhưng các máy tính lượng tử có thể giải quyết nhiều vấn đề cùng một lúc. Đó là nền tảng tạo nên cuộc cách mạng toàn bộ ngành công nghiệp. Và vấn đề không chỉ là tốc độ xử lý mà máy tính lượng tử có thể giải quyết các vấn đề phức tạp mà máy tính thông thường không thể kham nổi.

Vậy công nghệ máy tính lượng tử có thể sử áp dụng vào những khía cạnh nào, hãy cùng tìm hiểu.

1, Dự báo thời tiết với độ chính xác cực cao

Dù có sử dụng những thiết bị đo khí tượng tốt nhất thì việc đưa ra một bản dự báo thời tiếtvới độ chính xác gần như tuyệt đối vẫn là một công việc không khả thi. Nhưng với sự xuất hiện của máy tính lượng tử thì việc xây dựng một mô hình thời tiết cho một khu vực hay toàn cầu là hoàn toàn có thể làm được.

Máy tính lượng tử có thể đưa ra những dự đoán về một cơn bão bao gồm thời gian nó bắt đầu, những nơi nào nó có thể đi qua ngay trước khi nó được sinh ra. Giám đốc kỹ thuật của Google, Hartmut Neven, cho biết ngoài việc dự báo những hiện tượng thời tiết cụ thể thì máy tính lượng tử có thể dự báo được những xu hướng thời tiết của tương lai trong vài chục năm tới, đặc biệt là hậu quả của việc trái đất nóng lên.

2, Phát triển những loại thuốc mới hiệu quả hơn

Để đưa một phương thuốc đi vào cuộc sống hiện đại thì phải trải qua hàng nghìn cuộc thử nghiệm, hàng chục năm phát triển và thậm chí tiêu tốn hàng triệu USD. Đấy là còn chưa tính đến những trường hợp thất bại trước khi được đưa vào sản xuất.

Nhưng mọi chuyện sẽ chỉ là quá khứ với sức mạnh của máy tính lượng tử khi mà những cỗ máy này có thể đưa ra hàng nghìn kiểu kết hợp phân tử có thể xảy ra của loại thuốc đang nghiên cứu, từ đó những nhà khoa học có thể nhanh chóng tìm ra phương án tối ưu nhất àm không phải tốn thời gian như trước.

Ngoài ra, máy tính lượng tử cũng có thể đủ khả năng để giải mã bộ gien của con người, đây là cơ sở tạo nên bước đột phá của ngành y học trong tương lai.

3, Hãy tạm biệt ùn tắc giao thông

Thông thường việc điều tiết giao thông bằng những máy tính hiện nay thường chỉ đáp ứng được yêu cầu khi không xảy ra ùn tắc, thậm chí chúng vẫn cần có sự can thiệp của con người để thực hiện công việc vất vả này.

Với sự có mặt của máy tính lượng tử thì mọi hoạt động trên đường phố đều được xử lý một cách chớp nhoáng, ngoài ra những cỗ máy này có thể đưa ra lộ trình di chuyển của các phương tiện giao thông trong những giờ cao điểm ở mọi điểm nóng trong thành phố. Tất nhiên, hệ thống này là hoàn toàn tự động.

4, Bảo mật thông tin chặt chẽ hơn bao giờ hết

Chúng ta luôn sử dụng các thông tin được mã hóa mà thậm chí bản thân mình không hề nhận ra như đnăg nhập vài các tài khoản email hay dùng thẻ tín dụng để mua hàng qua mạng. Mặc dù khả năng những dữ liệu này bị can thiệp là không cao nhưng vẫn còn tiềm ẩn nhiều nguy cơ từ những tin tặc.

Với máy tính lượng tử thì cơ chế bảo mật đã được thay mới bằng hệ thống phòng vệ cơ học lượng tử. Hệ thống này hoạt động theo cơ chế ổ khóa nào thì đi với chìa khóa đấy và có thêm nhận dạng của các bên liên quan. Tức là khi bạn gửi cho ai đó một email thì người nhận sẽ phải có một chìa khóa dạng mã hóa theo cơ học lượng tử để mở kháo email này, nếu ai đó chặn được email này thì không thể mở khóa được nó dù cho họ có thể tạo ra một chiếc chìa khóa giống hệt.

Mặc dù vậy, việc áp dụng lý thuyết cơ học lượng tử vào việc bảo mật thông tín cũng tạo ra những mối nguy hiểm tiềm tàng từ chính lý thuyết nếu những tin tặc có thể sờ tay vào những công nghệ cao cấp này.

5, Thám hiểm không gian vũ trụ xa hơn

Với sự hỗ trợ của kính thiên văn Kepler, các nhà thiên văn học đã phát hiện được hơn 2000 hành tinh bên ngoài hệ mặt trời nhưng những thông tin mà chúng ta nhận được thường đã là quá khứ của những hành tinh này.

Vì vậy, yêu cầu cần có một hệ thống máy tính có thể xử lý những thông tin này và đưa nó về dạng thông tin ban đầu để các nhà khoa học có thể biết được liệu sự sống có từng tồn tại trên những hành tinh này hay không, đây là một trong những điểm mấu chốt của ngành thiên văn học hiện đại.

6, Máy móc có khả năng học hỏi

Đây chính là ý tưởng chính của những bộ phim viễn tưởng như The Matrix (Ma Trận) hay The Terminator (Kẻ hủy diệt), dĩ nhiên là chúng ta sẽ xem xét những khía cạnh có ích của nó thay vì tập trung vào những ý nghĩa tiêu cực.

Những cỗ máy có khả năng học hỏi sẽ là một trong những điểm mạnh nhất của máy tính lượng tử khi bộ xử lý của những robot tương lai sẽ có khả năng tự thu thập thông tin, xử lý chúng và tự thích nghi với những tình huống có thể xảy ra dựa vào những thông tin nhận được. Những cuộc thám hiểm không gian hay thăm dò những khu vực nguy hiểm sẽ rất cần điều này.

Máy tính lượng tử là gì và vì sao nó có khả năng tính toán siêu đẳng?

Được cho là sẽ thay đổi hoàn toàn các quy tắc của máy tính, các máy tính lượng tử đang được kỳ vọng sẽ mang lại khả năng tính toán gấp hàng triệu lần các máy tính thông thường.

Trong thời gian vừa qua, các công ty như IBM, Google, Microsoft, D-wave đều công bố về các bước tiến mới đối với máy tính lượng tử, đặc biệt IBM đã bắt đầu đưa máy tính lượng tử 5 qubit lên “đám mây” để người dùng trên thế giới có thể làm quen và thử nghiệm sức mạnh của chiếc máy tính. Bên cạnh đó, các ngôn ngữ lập trình lượng tử cũng như các nền tảng phát triển ứng dụng phần mềm dựa trên máy tính lượng tử cũng được các công ty đặc biệt chú ý.

Tuy vậy, cũng giống như cơ học lượng tử, máy tính lượng tử vẫn là thứ rất khó hiểu và mơ hồ đối với mọi người. Bài viết này sẽ giới thiệu cho bạn những thông tin cơ bản về máy tính lượng tử và khả năng ứng dụng của chúng.

Phần 1: Những nguyên tắc cơ bản của cơ học lượng tử được sử dụng trong máy tính lượng tử

Lưỡng tính sóng hạt của vật chất

Một trong những khái niệm quan trọng nhất của cơ học lượng tử là: vì một lý do nào đó, các vi hạt ở mức độ nguyên tử (nguyên tử, phân tử) và hạ nguyên tử (hạt nhân, proton, electron, photon…) vừa có tính chất của sóng lẫn tính chất của hạt.  

Thí nghiệm cơ bản nhất chứng minh lưỡng tính sóng hạt của vật chất là thí nghiệm khe đôi lượng tử:

Nếu bạn phát một chùm vi hạt bay qua 2 khe hở song song đến đập vào bức tường, trên đó có gắn máy dò, bạn sẽ phát hiện ra một dải các vệt sáng sẽ xuất hiện. Nó được gọi là mẫu giao thoa do sự nhiễu xạ của các sóng hạt khi đi qua khe đôi này.

Giống như làn sóng, các sóng hạt đi qua một khe sẽ nhiễu xạ các sóng hạt đi qua khe còn lại. Nếu đỉnh (cực đại biên độ) của sóng từ khe này trùng với đáy (cực tiểu biên độ) của sóng từ khe kia, chúng sẽ triệt tiêu nhau và không hiển thị trên màn hình. Nếu 2 đỉnh sóng trùng nhau, chúng sẽ cộng véctơ và tạo ra vệt sáng trên bức tường, đây còn được gọi là hiện tượng giao thoa hay chồng chập (superposition) sóng của các hạt.

Spin: mô-men động lượng không tồn tại trong vật lý cổ điển

Năm 1925, hai nhà vật lý người Hà Lan là George Uhlenbeck và Samuel Goudsmit đã phát hiện rằng electron có một loại chuyển động đặc biệt tạo ra tính chất từ phù hợp với các số liệu đo được: đó là chuyển động tự quay, hay còn gọi là spin.

Hai ông đã viết một bài báo ngắn, với kết luận “các electron vừa quay vừa tự quay”. Theo bài báo ngắn trên, mỗi electron trong vũ trụ luôn luôn và mãi mãi tự quay với một tốc độ cố định. Vì thế chúng luôn có mô-men động lượng riêng (sau gọi tắt là spin). Spin là một khái niệm thuần túy lượng tử, không có sự tương ứng trong cơ học cổ điển.

Quan niệm về spin sau đó được chứng tỏ rằng có mâu thuẫn với thuyết tương đối. Tuy nhiên, cho dù nguồn gốc sinh ra spin như thế nào chưa rõ, spin của tất cả các hạt cơ bản tạo nên thế giới vật chất, như electron, quark đều khác không và bằng ħ/2 (ħ là hằng số plank), gọi tắt là 1/2. Các hạt như photon có spin bằng 1… Như vậy, spin là một đặc trưng nội tại của hạt, nó cố hữu giống như khối lượng và điện tích đặc trưng của hạt đó. Nếu một electron không có spin thì nó không còn là một electron nữa.

Chồng chập lượng tử và qubit

Chồng chập lượng tử (hay chồng chất lượng tử, xếp lớp lượng tử) là việc áp dụng nguyên lý chồng chập vào cơ học lượng tử. Nguyên lý chồng chập vốn là sự cộng véctơ các véctơ sóng trong giao thoa. Trong cơ học lượng tử, các véctơ hàm sóng, hay véctơ trạng thái được cộng.

Cụ thể, chồng chập lượng tử có thể được phát biểu là “nếu một hệ lượng tử có thể được phát hiện ở một trong 2 trạng thái, A và B với các tính chất khác nhau, nó cũng có thể được phát hiện ở trạng thái tổ hợp của chúng, aA + bB, ở đó a và b là các số bất kỳ”.

Với thí nghiệm khe đôi được đề cập bên trên, các nhà vật lý lượng tử còn phát hiện rằng hiện tượng giao thoa hay chồng chập sóng của các hạt vẫn xuất hiện sau khe đôi khi chỉ phát ra một electron tại một thời điểm. Điều này có nghĩa là một electron cũng tạo ra hiện tượng chồng chập các trạng thái của bản thân nó.

Điều này được ứng dụng vào máy tính lượng tử với việc tạo ra các quantum bit (bit lượng tử), gọi tắt là qubit. Các nhà phát minh máy tính lượng tử sử dụng một vi hạt như một qubit, và trạng thái spin hướng lên hay hướng xuống của vi hạt tương ứng với trạng thái của qubit.

Quả cầu Bloch là một quả cầu có bán kính đơn vị. Nó được sử dụng để biểu diễn các qubit một cách trực quan. Vị trí của mỗi qubit được xác định rõ ràng thông qua các tham số Φ và θ (ảnh: wikipedia.org)

Khác với máy tính kỹ thuật số dựa trên tranzitor đòi hỏi cần phải mã hóa dữ liệu thành các chữ số nhị phân, mỗi số được gán cho 1 trong 2 trạng thái nhất định là 0 hoặc 1, tính toán lượng tử sử dụng các bit lượng tử ở trong trạng thái chồng chập để tính toán. Điều này có nghĩa là 1 bit lượng tử có thể có giá trị 0 và 1 ở cùng 1 thời điểm, tức là xảy ra hiện tường chồng chập lượng tử của qubit.

Để giải thích điều này, hãy hình dung rằng có một đồng tiền được tung lên. Trước khi nó tiếp đất bằng mặt trước hay mặt sau, nó sẽ quay tít trong không trung với tốc độ cực nhanh. Và khi nó đang quay tít như vậy, tại một thời điểm nhất định bạn xác định mặt của đồng xu thì nó sẽ có cả 2 trạng thái, sấp và ngửa.

Như vậy, nếu một máy tính có 2 qubit, tại một thời điểm nó sẽ có 22 = 4 trạng thái, 3 qubit sẽ có 23 = 8 trạng thái, N qubit sẽ có 2N  trạng thái của qubit đồng thời. Điều này có nghĩa là chiếc máy tính lượng tử N qubit sẽ có tương đương với sức mạnh của 2N máy tính chạy song song nhau. Điều này lý giải tại sao máy tính lượng tử có khả năng tính toán cực nhanh so với máy tính thông thường.  

         Mô phỏng qubit thông qua hình ảnh của đồng xu

Về mặt lý thuyết, một máy tính có nhiều qubit có khả năng xử lý một lượng tác vụ vô cùng lớn như tính toán số học hoặc thực hiện tìm kiếm cơ sở dữ liệu cực lớn trong thời gian nhanh hơn nhiều so với các máy tính thông thường.

Rối lượng tử

Rối lượng tử hay vướng víu lượng tử là một hiệu ứng trong cơ học lượng tử trong đó trạng thái lượng tử của hai hay nhiều vật thể có liên hệ với nhau, dù cho chúng có nằm cách xa nhau. Ví dụ, có thể tạo ra hai vật thể sao cho nếu quan sát thấy spin của vật thứ nhất quay xuống dưới, thì spin của vật kia sẽ phải quay lên trên, hoặc ngược lại; dù cho cơ học lượng tử không tiên đoán trước kết quả phép đo trên vật thứ nhất. Điều này nghĩa là phép đo thực hiện trên vật thể này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái lượng tử trên vật thể vướng víu lượng tử với nó.

Rối lượng tử cho phép thực hiện các phép đo trạng thái của một vật thể từ trạng thái của một vật thể ở rất xa

Hiệu ứng này, được khẳng định bởi quan sát thực nghiệm, cũng gây ra sự thay đổi nhận thức rằng thông tin về một vật thể không nhất thiết chỉ có thể thay đổi bằng cách tương tác với các vật ngay gần nó. Nó cũng dẫn đến một vấn đề khác là, tốc độ truyền tin giữa 2 vậy thể có vướng víu lượng tử sẽ nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Điều này kỳ dị đến mức mà nhà bác học Einstein gọi nó là “tác động kỳ quái từ xa”.

Sự khác biệt của qubit so với bit cổ điển, không chỉ ở sự biến thiên giá trị liên tục thông qua chồng chập lượng tử, mà còn ở chỗ cùng một lúc nhiều qubit có thể tồn tại và liên hệ với nhau qua hiện tượng rối lượng tử . Sự vướng víu này có thể xảy ra ở khoảng cách vĩ mô giữa các qubit, cho phép chúng thể hiện các chồng chập cùng lúc của nhiều dãy ký tự (ví dụ chồng chập 01010 và 11111). Tính chất “song song lượng tử” này là thế mạnh cơ bản của máy tính lượng tử.

Bằng việc giải các tích phân chuyển động đối với ma trận mật độ, áp dụng các phép gần đúng, người ta đã thấy rằng sự biểu diễn trạng thái trên một qubit tự do còn chịu ảnh hưởng của các trạng thái của qubit khác. Thành lập cụ thể các phương trình này sẽ cho ta cơ chế truyền thông tin của các qubit.

Sự sụp đổ của hàm sóng

Trong thí nghiệm đối với khe đôi lượng tử, các nhà khoa học không chỉ chứng minh được sự tồn tại của lưỡng tính sóng – hạt của vật chất mà  còn phát hiện ra được một vấn đề cũng rất kỳ lạ, đó là hiện tượng sụp đổ của hàm sóng:

Khi phát ra một electron tại một thời điểm, nếu không có sự quan sát của thiết bị và con người tại khe đôi, electron sẽ dường như “tách đôi” và đi qua cả hai khe để tạo ra hiện tượng chồng chập các trạng thái spin lượng tử như là các sóng hạt.

Nhưng khi có các thiết bị quan sát của con người, electron sẽ chỉ đi qua một khe đôivà không gây ra hiện tượng chồng chập sóng hạt ở màn chắn phía sau. Trong trường hợp này, electron hoạt động thuần túy như một hạt, hay có thể nói tính chất sóng của nó đã không còn. Người ta gọi hiện tượng này là sự sụp đổ của hàm sóng.

Trong máy tính lượng tử, việc đo lường trạng thái lượng tử cần được thực hiện để xác định các giá trị qubit tại một thời điểm, điều này dẫn đến sự sụp đổ trạng thái chồng chập của các qubit (decoherence), khiến cho trạng thái chồng chập của qubit diễn ra trong thời gian rất ngắn trước khi sụp đổ và mất nhiều thời gian để khôi phục lại. Đây là một trong những thách thức lớn khi xây dựng các máy tính lượng tử.

Sự khác biệt giữa máy tính thông thường và máy tính lượng tử

Để cộng 2 số nhị phân 1 bit, máy tính thông thường sử dụng các cổng logic được tạo từ các đèn bán dẫn (transitor), trong trường hợp này là cổng XOR và cổng AND. Cổng XOR được sử dụng để cộng 2 bit nhỏ nhất (đầu ra S), cổng AND để đưa ra giá trị nhớ cho bit tiếp theo (cổng C). Sơ đồ mạch logic phép cộng 1 bit này như hình sau, phép tính cho kết quả với 1 xung nhịp.

Mạch logic phép cộng 2 số 1 bit của máy tính thông thường

Để cộng 2 số nhị phân 8 bit, người ta mắc các 8 mạch logic 1 bit nối tiếp nhau. Cổng nhớ C của bộ cộng 1 bit này sẽ là đầu vào của bộ cộng 1 bit tiếp theo. Máy tính cần thực hiện tuần tự từ bit có giá trị nhỏ nhất đến bit có giá trị lớn nhất. Với 2 số 8 bit có giá trị cho trước, ở trường hợp xấu nhất, giá trị đầu vào khiến cho tất cả các phép cộng đơn lẻ đều có nhớ, thì cần đến 8 xung nhịp mới tạo ra được kết quả cộng.

Mạch logic phép cộng 2 số 8 bit của máy tính thông thường 

Các bit đầu ra sẽ là kết quả kết hợp của 2 số 8 bit đầu vào. Có bao nhiêu khả năng kết hợp đầu vào với 2 số 8 bit? Đó là 216 = 65.536 trường hợp đầu vào khác nhau. Như vậy, 1 máy tính 8 bit thông thường chỉ xử lý được 1 trong 65.536 đầu vào tại một thời điểm và cần 8 xung nhịp mới cho ra được kết quả tính toán.

Do đặc tính chồng chập lượng tử, 1 qubit có thể thể hiện cả 2 trạng thái 1 và 0, như vậy với phép cộng 2 số 8 bit, 16 qubit đầu vào sẽ cho ra 216 = 65.536 trạng thái đồng thời. Các thuật toán lượng tử cho phép máy tính lượng tử tính toán đồng thời 65.536 trạng thái đầu vào của phép cộng 2 số 8 bit và ra kết quả chỉ trong 1 vài xung nhịp.

Một ví dụ để dễ hình dung hơn sự khác biệt giữa 2 loại máy tính: 1 căn phòng có 1 cửa vào và chỉ 1 cửa ra thật, nhưng giữa lại có rất nhiều đường dẫn đến các lối cụt. Để tìm được đường đến cửa ra, máy tính thông thường phải thử lần lượt tất cả các đường cho đến khi tìm được. Trong khi đó, máy tính lượng tử sẽ đồng thời thử hết tất cả các đường và tìm ra đáp án rất nhanh.

Sự khác biệt về khả năng tính toán của máy tính thông thường và máy tính lượng tử

Máy tính lượng tử có thể ứng dụng ở đâu?  

Với cách thực hiện các phép tính hoàn toàn khác biệt, máy tính lượng tử mang lại khả năng tính toán nhanh hơn rất nhiều lần so với máy tính thông thường trong các bài toán phức tạp. Khả năng tính toán của các máy tính lượng tử tăng theo cấp số mũ khi tăng thêm các bit lượng tử.

Ví dụ, máy tính thông thường mất trung bình N/2 phép tính để tìm kiếm 1 phần tử trong cơ sở dữ liệu chưa được sắp xếp có N phần tử. Tuy nhiên, máy tính lượng tử chỉ cần √N phép tính khi sử dụng thuật toán lượng tử Grover. Nếu N bằng một nghìn tỷ, một máy tính lượng tử sẽ xử lí nhanh hơn máy tính thông thường một triệu lần.

Một ví dụ khác, thuật toán mã hóa công khai có tên RSA đang được ứng dụng rộng rãi trong ngân hàng, giao dịch trực tuyến và rất nhiều ứng dụng an ninh mạng khác. Sự an toàn của RSA nằm ở chỗ máy tính truyền thống không thể phân tích nhanh một số nửa nguyên tố (semiprime) lớn n thành tích của 2 số nguyên tố lớn p và q (n = p q). RSA sẽ trở nên vô nghĩa khi máy tính lượng tử được sử dụng rộng rãi. Bởi vì để phá mã RSA, nhờ thuật toán lượng tử Shor, máy tính lượng tử chỉ cần tính log(N) phép tính, với N là số phép tính mà một máy tính truyền thống cần để phá mã RSA.

Bên cạch các bài toán số học phức tạp, người ta hy vọng ứng dụng máy tính lượng tử trong các bài toán mô phỏng hóa học để tìm ra công thức thuốc, mô phỏng gen, hỗ trợ công tác vận chuyển hàng hóa trong dịp mua sắm lớn, mô phỏng các rủi ro tài chính…

Các nhà khoa học đã theo đuổi giấc mơ về việc tạo ra một chiếc máy tính lượng tử từ lâu. Công nghệ này sẽ mang đến cho chúng ta sức mạnh xử lý những vấn đề có quy mô ngoài sức tưởng tượng.

Và giờ đây, cốt lõi của máy tính lượng tử, một kế hoạch chi tiết về việc xây dựng mã nguồn mở đầu tiên đã được công bố.

Kế hoạch chi tiết này sẽ tạo bước tiến đột phá trong công nghệ hiện thời, cho phép chúng ta có thể điều khiển một máy tính lượng tử có kích thước tương đương một sân bóng đá.

"Chúng tôi đang hoàn thiện kế hoạch chi tiết nhằm xây dựng một máy tính lượng tử có quy mô lớn trong thực tế", nhà khoa học Winfried Hensinger đến từ Tập đoàn công nghệ lượng tử Ion trực thuộc Đại học Sussex (Anh) cho biết: "Cuộc sống chúng ta sẽ thay đổi hoàn toàn. Loài người sẽ có khả năng thực hiện những điều mà thậm chí chúng ta không bao giờ dám mơ tới trước đây".

Máy tính lượng tử có khả năng xử lý mạnh hơn các máy tính thông thường hàng tỷ lần. 

Máy tính lượng tử không phải là một lý thuyết mới mẻ. Nhà vật lý học đoạt giải Nobel năm 1982 Richard Feynman đã đề xuất ý tưởng về loại công nghệ này nhưng cho đến nay, chúng ta mới đủ trình độ để thực hiện những bước đi đầu tiên.

Không giống như các máy tính thông thường bị giới hạn trong mã nhị phân 1 và 0, các máy tính lượng tử hoạt động dựa trên bit lượng tử (quantum bit – qubit). Nhờ vào hiệu ứng lượng tử kì dị (spooky quantum effect) mà mỗi qubit có thể đưa về trạng thái 0, 1 hoặc kết hợp của cả hai.

Trong khi các máy tính dùng bit thông thường chỉ có thể hiện thị 0 hoặc 1 tại một thời điểm duy nhất, máy tính qubit có thể thể hiện cả 0 và 1 cùng một lúc. Điều này cho phép chúng có thể thực hiện nhiều phép tính đồng thời, tạo cho máy tính lượng tử có khả năng sức mạnh xử lý chưa từng có.

Google tuyên bố rằng, họ đang phát triển một loại máy tính lượng tử có tên là D-Wave 2X có khả năng xử lý nhanh hơn so với máy tính xách tay của bạn 100 triệu lần. Tuy nhiên, nó vẫn chưa phải là một máy tính lượng tử đúng nghĩa.

Nhiều nhóm khoa học trên khắp thế giới đang chạy đua để xây dựng một máy tính lượng tử hoàn thiện đầu tiên. Tuy nhiên, họ vấp phải một rào cản rất lớn, đó là việc khai thác hiệu ứng lượng tử kì dị không phải là một điều dễ dàng.

Cho đến nay, các nhà khoa học mới chỉ có thể xây dựng các thiết bị chứa được khoảng 10-15 qubit. Con số này không thật sự đủ lớn để tạo ra một cuộc cách mạng.

Hiện nay, các nhà khoa học mới chỉ có thể xây dựng các thiết bị chứa được khoảng 10-15 qubit.

"Các máy tính lượng tử luôn gặp phải tình huống mang tên là suy giảm sự gắn kết (decoherence). Qubit sẽ mất đi tính chất kì dị của nó và trở thành các bit 0 và 1 đơn giản. Đây chính là trở ngại kỹ thuật để xây dựng máy tính lượng tử trong thực tế", nhà khoa học Paul Rincon giải thích.

"Chúng tôi đang phát triển một ý tưởng cho phép sửa chữa lỗi này, từ đó tạo ra khả năng xây dựng một thiết bị với quy mô lớn", Hensinger nói: "Để có thể phát minh ra các loại thuốc mới, nghiên cứu về bản chất của thực tại, tìm hiểu về vũ trụ, thiết kế vật liệu mới, chúng ta phải cần đến hơn 10 tỷ bit lượng tử".

Phương pháp đó chính là sử dụng khu vực từ tính nhầm bẫy các ion (nguyên tử tích điện). Các khu vực từ tính này sẽ đóng vai trò như các qubit và sẽ tồn tại trong hệ thống hàng nghìn module liên kết với nhau.

Những module hình vuông này sẽ được hoán đổi liên tục, thay thế hoặc thêm vào tùy ý. Trên lý thuyết, điều này cho phép bạn xây dựng một máy tính lượng tử lớn như bạn muốn.

Mỗi module sẽ chứa khoản 2.500 qubit ion và lớp từ trường sẽ bảo vệ chúng khỏi sự suy giảm gắn kết, giữ cho chúng liên tục ở trạng thái lượng tử.

Vậy khi nào thì chúng ta mới có thể sở hữu máy tính lượng tử để phục vụ cho nhu cầu cá nhân?

Nhà nghiên cứu Smelyanskiy đã trả lời cho câu hỏi này rằng: "Cho dù máy tính lượng tử trong tương lai sẽ biến đổi như thế nào cũng đừng mong đợi sở hữu một sản phẩm cho riêng mình. Đây sẽ là một thiết bị chuyên dụng nhằm giải quyết các vấn đề vô cùng phức tạp và quan trọng của loài người hơn là thực hiện những việc giống như máy tính truyền thống, laptop hay iPhone. Máy tính lượng tử không phải là thứ đặt trên bàn làm việc ở mỗi gia đình trong tương lai."

Hãy đừng để robot thống trị mình, máy tính vẫn đang tiến dần và thông minh hơn con người, vậy chúng ta phải thông minh hơn nó

Máy tính lượng tử qubit vẫn đang tiến tới tương lai

Công nghệ chúng ta vẫn đang phát triển với tốc độ chóng mặt...

Cmr Cảm ơn