Máy tính lượng tử là gì? Những điều cần biết về máy tính lượng tử

Khi nền tảng công nghệ 4.0 phát triển và các thiết bị máy móc dần trở nên tân tiến hơn, các chuyên gia trên thế giới lần lượt công bố sự cải tiến của họ trong lĩnh vực máy móc, nhất là cuộc cạnh tranh khá gay gắt trong việc phát triển máy tính lượng tử mạnh nhất giữa Mỹ và Trung Quốc. Vậy máy tính lượng tử là gì? Hãy cùng PA Việt Nam tìm hiểu chi tiết về công nghệ máy móc hiện đại này qua bài viết dưới đây.

Máy tính lượng tử là gì? Có hình dạng ra sao?

Máy tính lượng tử tiếng anh là Quantum Computing – một loại máy tính ứng dụng thuật toán lượng tử, hoạt động theo nguyên lý chồng chập và nguyên lý vướng víu lượng tử. Theo lý thuyết, loại máy tính này thực hiện lưu trữ nhiều trạng thái khác nhau trên mỗi đơn vị thông tin, đồng thời vận hành nguyên lý lượng tử hiệu quả ở mỗi cấp độ riêng biệt.

Máy tính lượng tử áp dụng trong các lĩnh vực nào? Máy tính lượng tử (quantum) thường được sử dụng trong lĩnh vực vật lý, với cách thức vận dụng kiến thức về cơ học lượng tử để nghiên cứu các hạt nguyên / hạ nguyên tử nhằm cải tiến những gì mà máy tính truyền thống chưa có. Về cấu trúc, bạn sẽ phải bất ngờ khi cấu tạo của máy trông như những chiếc đèn chùm trang trí không lồ, nên vì thế các chuyên gia đã đặt tên cho cấu tạo của loại máy tính này là cấu trúc đèn chùm.

Cấu tạo của máy tính lượng tử (quantum)

Với cấu tạo như một chiếc đèn chùm khổng lồ, cấu tạo chi tiết của máy tính lượng tử (quantum) gồm có phần lõi và các qubit bao quanh.

• Phần lõi (nhân trung tâm): Là một siêu chip được làm từ Niobium, hoạt động trong điều kiện siêu lạnh, có thể ở mức 0 độ K và để đạt được độ lạnh như vậy, thiết bị sẽ được ngâm chìm trong bể Heli lỏng, đặt trong môi trường vi sóng điện từ.
• Phần xung quanh: Là các qubit, có chất liệu là Niobium với độ cứng tương đương như Titan. Các qubit được bố trí xung quanh phần lõi với mỗi cực của qubit không được thiết kế cố định mà làm dao động, để có thể thực hiện các tác vụ phức tạp và mang tính chất ngẫu nhiên. Vì vậy tốc độ xử lý của máy tính lượng tử tốt hơn máy tính truyền thống gấp nhiều lần.

Đặc điểm của máy tính lượng tử

Đặc điểm của máy tính lượng tử qubit không chỉ thể hiện ở cấu trúc phần mềm, mà còn ở khả năng thực hiện tính toán.

Phần mềm

Cho đến thời điểm hiện tại, máy tính lượng tử không hoạt động trên bất kỳ phần mềm nào. Đó cũng là điểm khác biệt rõ rệt so với máy tính truyền thống khi sử dụng các soft hoặc hệ điều hành để khởi chạy. Thay vào đó, các chuyên gia máy tính đã dày công nghiên cứu ra những tác vụ đặc biệt và độc nhất để kiểm tra khả năng xử lý của máy tính lượng tử. Mặt khác, để nói về tính ứng dụng thực tế, có lẽ phải mất khoảng 50 năm nữa để đưa máy tính lượng tử vào đời sống.

Khả năng tính toán

Với đơn vị đo đặc trưng độc quyền là qubits, khả năng tính toán của chúng biểu đạt ở cấp số nhân. Tuy theo lý thuyết là thế, các chuyên gia đã đưa ra nhận định rằng việc thêm qubits vào cần phải đảm bảo rằng việc rối lượng tử hoặc sai lệch trong tính toán tuyệt đối không được xảy ra. Vì nếu có sự sai sót đáng tiếc này, việc thêm qubits sẽ trở thành vô nghĩa.

Ứng dụng của máy tính lượng tử

Hệ thống máy tính lượng tử với sự tiến bộ không ngừng đã thực hiện một số chức năng hữu hiệu trong các lĩnh vực: y sinh học, sáng chế vật liệu mới, bảo mật máy tính,…Qua đó, một vài chức năng chính trong một số lĩnh vực có thể kể đến như:

• Sức khỏe: Sáng chế ra các phương pháp trị liệu và bào chế thuốc để điều trị các bệnh liên quan đến di truyền hoặc nghiên cứu DNA.
• Tài chính: Giúp các doanh nghiệp chống các hành vi gian lận thông qua sự thay đổi, cải tiến hệ thống mô phỏng. Đồng thời, máy tính lượng tử còn hỗ trợ các danh mục đầu tư của doanh nghiệp đạt hiệu quả tốt hơn.
• Logistics: Qubit thực hiện tối ưu hóa kế hoạch giao thông, lập hệ thống xây dựng tuyến đường. Lấy ví dụ công ty Airbus, họ đã sử dụng máy tính lượng tử trong quá trình thiết kế máy bay.
• An ninh mạng: Quantum Key Distribution (QKD) sẽ sớm phát hiện ra sự xâm nhập bất hợp pháp từ hacker và chúng sẽ gửi tín hiệu ánh sáng đến hệ thống để kịp thời mã hóa các dữ liệu rủi ro, nhằm đảm bảo tính an toàn cho hệ thống.

Điều kiện để máy tính lượng tử hoạt động

Để máy tính lượng tử hoạt động bình thường, bạn cần phải đáp ứng điều kiện áp suất, nhiệt độ và độ cách điện vô cùng chi tiết.

• Điều kiện áp suất: không có áp suất khí quyển.
• Nhiệt độ môi trường: gần như bằng 0, tương đương khoảng 273 độ C.
• Độ cách điện: được cách điện hoàn toàn khỏi từ trường trái đất.

Khi máy tính có sự tác động từ các hạt bên ngoài, lỗi đo lường sẽ xảy ra và khiến cho loại máy này bị mất kết hợp lượng tử (còn gọi là decoherence). Vì vậy, máy tính lượng tử cần hoạt động theo đúng các điều kiện đã nêu nhằm đảm bảo rằng các qubits sẽ không va vào nhau khi di chuyển, cũng như không tiếp xúc với môi trường bên ngoài. Mặt khác, thiết bị này chỉ vận hành trong khoảng thời gian rất ngắn nên việc không thể lưu trữ hoặc hỏng thông tin sẽ gây ra vô vàn khó khăn cho quá trình khôi phục dữ liệu.

Cách thức hoạt động của máy tính lượng tử

Máy tính lượng tử sử dụng qubits để xử lý và lưu trữ thông tin, trong đó qubits có thể mang giá trị 0, 1, hoặc cả hai cùng lúc nhờ trạng thái chồng chất. Điều này cho phép thực hiện các phép tính toán nhanh hơn nhiều so với máy tính truyền thống. Ngoài ra, máy tính lượng tử còn vận dụng nguyên tắc cơ học lượng tử để mô tả hành vi của các hạt ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử, dựa trên tính chất lưỡng tính sóng – hạt, nghĩa là các hạt vừa có tính chất của sóng, vừa có tính chất của hạt.

Máy tính lượng tử cũng sẽ áp dụng Quantum Gate, còn được gọi là cổng logic lượng tử để bắt đầu việc tính toán. Ngoài ra, máy tính lượng tử sẽ không dùng từng biện pháp khác nhau cho mỗi vấn đề, mà chúng sẽ áp dụng nhiều cách xử lý cho cùng một vấn đề. Hiệu ứng đó được gọi là đường hầm lượng tử, có công dụng nâng cao tốc độ của máy.

So sánh máy tính lượng tử với máy tính thông thường

Để phân biệt đúng máy tính lượng tử và máy tính truyền thống, bạn cần nhận xét dựa trên: ngôn ngữ lập trình, kiến trúc và chức năng. Điều này được PA Việt Nam thể hiện cụ thể qua bảng dưới đây:

Bộ xử lý 127 qubit trong máy tính lượng tử của IBM

Ứng dụng của máy tính lượng tử trong thực tế

Tuy máy tính lượng tử chưa được đưa vào thực tế để sử dụng, nhưng các chức năng của nó rất hữu hiệu trong việc phân tích quỹ đạo của tàu vũ trụ, dự báo thời tiết và thị trường,… Nếu máy tính lượng tử phát triển thành một AI, chúng sẽ được áp dụng với:

• Trong y tế: Các chuyên gia nghiên cứu làm việc ở Viện Ung thư Roswell Park vào năm 2015 đã cho thấy nếu ứng dụng loại máy tính này có thể giúp quá trình hóa và xạ trị được tối ưu hóa, thời gian nhanh hơn gấp 3-4 lần so với bình thường. Ngoài ra, với khả năng tính toán nổi bật, máy tính lượng tử có thể phá các hệ thống mật mã DSA hoặc RSA chỉ trong tíc tắc.
• Trong giao thông: Các thuật toán của máy tính lượng tử sẽ đề xuất các tuyến đường nhanh nhất và tránh kẹt xe, đồng thời dự báo thời tiết của những nơi bạn sẽ đi qua.

Sự cạnh tranh trong lĩnh vực máy tính lượng tử hiện nay

Điểm mấu chốt của cuộc cạnh tranh trong lĩnh vực máy tính lượng tử chính là làm sao để đưa loại thiết bị này vào đời sống. Do đó, tham gia vào sự cạnh tranh này đều là các tập đoàn lớn đã có đội ngũ nghiên cứu chuyên nghiệp như: Google, IBM, Microsoft và một số tổ chức công nghệ hàng đầu khác.

Đặc biệt, quốc gia nào có khả năng tạo ra máy tính lượng tử đều nắm trong tay phần thắng cao hơn. Theo Valuenex, hiện Trung Quốc đang cao hơn Mỹ gấp đôi và gấp ba so với Nhật khi sở hữu hơn 3000 bằng sáng chế trong lĩnh vực công nghệ lượng tử. Ngoài ra, cách đây 3 năm, vào tháng 07/2021, Boston Consulting Group đã dự báo rằng giá trị khi sáng chế ra công nghệ này khoảng 10 tỷ USD/năm và sẽ tăng lên khoảng 850 tỷ USD vào năm 2040.

Câu hỏi thường gặp

Máy tính lượng tử có thể xem là một loại máy tính cao cấp?