Máy tính lượng tử là gì ? Ứng dụng thực tế của máy tính lượng tử

Máy tính lượng tử được xem là cỗ máy tính đỉnh cao mà dường như người dùng phổ thông khó mà sở hữu được. Trong cuộc chạy đua phát triển công nghệ máy tính, Mỹ và Trung Quốc là hai nước dẫn đầu đang nỗ lực tập trung phát triển các dòng máy tính lượng tử. Hứa hẹn trong tương lai sẽ khởi sắc rực rỡ với những đột phá có “1-0-2” trong khoa học máy tính.

Giới thiệu về máy tính lượng tử

Máy tính lượng tử là gì?

Máy tính lượng tử (Quantum Computing) hay còn gọi với tên khác là siêu máy tính lượng tử. Đây là một thiết bị tính toán sử dụng trực tiếp những hiệu ứng từ cơ học lượng tử như tính chồng chập và vướng lượng tử để thực hiện các phép toán trên dữ liệu đưa vào.

Dựa vào một linh kiện bán dẫn (transistor) chủ động, nằm trong khối đơn vị cơ bản tạo thành cấu trúc mạch ở máy điện tử cũng như các thiết bị điện tử hiện đại khác nên phần cứng của máy tính lượng tử khác hẳn so với máy tính kỹ thuật số. Máy tính lượng tử sử dụng những mạch nhỏ để thực hiện các phép tính như máy tính truyền thống. Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, chúng còn áp dụng thêm hiện tượng lượng tử là nguyên lý chồng chất và vướng lượng tử.

Đặc trưng của máy tính lượng tử

Những máy tính kỹ thuật số thông thường mã hóa thông tin theo các bit lấy giá trị 1 hoặc 0. giá trị này thể hiện 2 trạng thái đóng và mở của cổng logic, một bộ phận thuộc chíp máy tính. Ngược lại, máy tính lượng tử thì sử dụng bit lượng tử hoặc qubit. Đặc biệt, qubit có thể đại diện cùng lúc cho cả 2 giá trị 0 và 1. Tương tự, 2 qubit sẽ đại diện đồng thời cho 4 giá trị. Đây được gọi là nguyên lý chồng chất.

Sở hữu những đặc điểm này, vì thế, máy tính lượng tử cho phép xử lý mọi hoạt động ở tốc độ cao theo cấp số nhân so với các máy tính truyền thống. Đồng thời, máy tính lượng tử tiêu thụ rất ít năng lượng.

Ứng dụng thực tế của máy tính lượng tử

Theo Viện Máy tính lượng tử của Đại học Waterloo (Canada), lĩnh vực máy tính lượng tử được biết đến từ thập niên 1980. Nhiều đơn vị nghiên cứu nhận thấy thiết bị này có thể xử lý những vấn đề tính toán hiệu quả và nhanh chóng với các thuật toán lượng tử so với thuật toán thông thường. Kể từ đó, máy tính lượng tử dần trở nên phổ biến và đóng góp nhiều hơn trong đời sống. Hiện nay, máy tính lượng tử có thể ứng dụng rất lớn trong các lĩnh vực như tài chính, quân sự, tình báo, điều chế thuốc, hàng không vũ trụ, năng lượng hạt nhân, thiết kế polymer, trí tuệ nhân tạo (AI),..

• Trí tuệ nhân tạo (AI) trở nên nhân văn hơn. Máy tính lượng tử có thể giảm đáng kể thời gian để đào tạo các mạng thần kinh lớn trên các bộ dữ liệu rất lớn.
• Dự báo thời tiết: Máy tính lượng tử có thể đưa ra các dự báo về thời tiết có tỷ lệ chuẩn xác cao, đặc biệt trong việc đối phó với các cơn bão, giúp giảm thiệt hại từ các thiên tai.
• Điều trị ung thư: Năm 2015, các nhà nghiên cứu tại Viện Ung thư Roswell Park đã đưa ra một kỹ thuật mới sử dụng máy tính lượng tử nhằm tối ưu hóa xạ trị theo cách nhanh hơn ba đến bốn lần so với máy tính thông thường.
• Phá vỡ mật mã: máy tính lượng tử có thể phá vỡ các hệ thống mật mã như RSA hoặc DSA.
• Hệ thống điều tiết giao thông tự động, siêu tốc độ.
• Công nghệ trong dược phẩm: máy tính lượng tử có thể giải mã bộ gen của con người, đây là cơ sở tạo nên bước đột phá của ngành y học trong tương lai.
• Mô phỏng phân tử trong sinh học và hóa học

Máy tính lượng tử có hình dạng như thế nào?

Không giống như các loại máy tính kỹ thuật số thông thường, máy tính lượng tử được thiết lập với hình dáng rất đặc biệt. Có thể ví von máy tính lượng tử giống như chiếc đèn chùm khổng lồ, các chuyên gia trong ngành cũng gọi đây là kiến trúc đèn chùm.

Máy tính lượng tử cũng bao gồm một nhân trung tâm là siêu chíp với các qubit được sắp xếp theo dạng bàn cờ vua. Cấu tạo của nhân chíp là những vi tụ điện được làm từ Niobium có độ cứng ngang ngửa với Titan.

Các cực của qubit được thiết kế để có thể dao động và không duy trì cố định một trạng thái nào. Chính vì thế, máy tính lượng tử sở hữu một khả năng xử lý siêu tốc độ so với các máy tính thông thường.

Những con chip của thiết bị sẽ được đặt trong một trường vi sóng điện từ, hoạt động ở điều kiện nhiệt độ cực lạnh, thậm chí gần mức 0 độ K. Để đạt ngưỡng mức độ này, giải pháp tối ưu và ít tốn kém nhất hiện tại là đưa máy tính nhấn chìm trong một bể Heli lỏng.

Hành trình phát triển của máy tính lượng tử

D-Wave One – Chiếc máy lượng tử đầu tiên

Năm 2007, công ty D-Wave tại Canada đã công bố chiếc máy tính lượng tử đầu tiên trên thế giới. tiên phong về khả năng thương mại hóa mang tên D-Wave One. Thông qua mô tả từ đội ngũ xây dựng, cỗ máy tính lượng tử sử dụng tiến trình “phép tôi luyện lượng tử” với hệ thống 128 qubits. Số qubit này phân chia thành 16 ngăn, ở mỗi ngăn chứa 8 qubits và tạo ra bởi các vòng siêu dẫn.

Mãi cho đến năm 2014, tính toán lượng tử “chững lại” ở giai đoạn sơ khai. Tuy nhiên, máy tính lượng tử vẫn đang được triển khai nghiên cứu về mặt lý thuyết và thực nghiệm. Đồng thời, chính phủ cùng với quân đội nhiều nước đã hỗ trợ cho các hoạt động nghiên cứu thiết bị này với mục đích dân sự và an ninh như phân tích mã.

Vì dự án D-Wave One mang tính rủi ro cao và giá quá đắt nên rất ít khách hàng quan tâm đầu tư. Thiết bị chủ yếu được sử dụng trong nghiên cứu, thực nghiệm tại các tổ chức chính phủ, quốc phòng

Cuộc đua máy tính lượng tử của “ông lớn” Mỹ – Trung

Tại Mỹ, thương hiệu Microsoft đã sử dụng nguồn ngân quỹ cực lớn để phát triển cho một máy tính lượng tử với một bản thiết kế khác biệt, hứa hẹn đưa máy tính tiến gần hơn với mục đích thương mại. Bên cạnh đó, những tên tuổi công nghệ đình đám tại Mỹ như IBM, Amazon,.. cũng mạnh dạn đầu tư lớn để phát triển máy tính lượng tử.

Trong bối cảnh đó, Trung Quốc đã dành 10 tỷ USD cho dự án xây Phòng Thí nghiệm quốc gia về Khoa học thông tin lượng tử (BAQIS). Đồng thời, các nhà khoa học Trung Quốc khẳng định họ vừa hoàn thành việc tạo ra một chiếc máy tính lượng tử có tốc độ nhanh hơn gấp 100 triệu lần siêu máy tính hiện đại nhất thế giới, đánh dấu bước ngoặt đầu tiên trong hành trình nỗ lực phát triển công nghệ lượng tử của Trung Quốc.

Vào cuối năm 2019, Google cũng thông báo họ đã đạt được ưu thế lượng tử với máy tính có thể thực hiện phép tính trong vòng 200 giây. Đồng thời, theo thông tin từ Tân Hoa Xã – trung tâm thu thập thông tin lớn nhất Trung Quốc cho rằng: các nhà nghiên cứu Trung Quốc tuyên bố nguyên mẫu mới của họ có thể xử lý gấp 10 tỷ lần so với mẫu máy tính lượng tử của Google.

Trên đây là thông tin về “máy tính lượng tử là gì?” cũng như hành trình chạy đua công nghệ, phát triển máy tính lượng tử Mỹ – Trung. Dù máy tính lượng tử vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, hoàn thiện, nhưng có thể thấy được tiềm năng đỉnh cao của thiết bị, thúc đẩy tiến bộ trong vật lý, hóa học và nhiều lĩnh vực khác.

FAQs về máy tính lượng tử