Điện toán lượng tử là gì?

Một cuộc cách mạng trong điện toán đang ở rất gần chúng ta - nhưng máy tính lượng tử hoạt động như thế nào và chúng có thể giúp chúng ta đạt được những gì?

Hình thức điện toán này thu hút các ​​khoản đầu tư trị giá hàng tỷ đô la từ một số tay chơi lớn nhất trong ngành, và nó là một trong những lĩnh vực đổi mới phát triển nhanh nhất nhưng lại khá âm thầm trong vũ trụ công nghệ.

Ở dạng cơ bản nhất, điện toán lượng tử đề cập đến những cỗ máy cực kỳ mạnh mẽ có khả năng xử lý những luồng dữ liệu khổng lồ nhờ phụ thuộc vào lý thuyết cơ học lượng tử theo cách chúng được xây dựng.

Một ví dụ sống động nhất về máy tính lượng tử là chip lượng tử 72 qubit của Google được đặt tên là Bristlecone, con chip lượng tử mạnh nhất được chế tạo cho đến nay. Các chip như Bristlecone đang được chế tạo bởi một loạt các công ty hàng đầu như IBM và D-Wave, đóng vai trò như là mô hình cho các máy tính lượng tử trong tương lai, nơi những cỗ máy có hàng trăm ngàn hoặc hàng triệu qubit mạnh mẽ. Công nghệ không ngừng phát triển khi các công ty này đang ra sức cố gắng chế tạo các máy có khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp chỉ trong vài giây trong khi một máy tính thông thường sẽ mất hàng thập kỷ.

Nhưng làm thế nào để những cỗ máy bí ẩn này, thường là nguồn gốc của nhiều sự nhầm lẫn, thực sự hoạt động và những tác động của nó đến tương lai của công nghệ là gì?

Điều gì làm cho điện toán lượng tử khác với điện toán “cổ điển”?

Điện toán lượng tử có một lịch sử vô cùng phong phú và được liên kết chặt chẽ với vật lý lý thuyết cứng; cơ học lượng tử. Sau nhiều thập kỷ nghiên cứu và phát triển bởi liên tiếp những nhà vật lý và kỹ sư, giờ đây chúng ta đã có trong tay một số lượng máy tương đối nhỏ - nhưng đầy hứa hẹn - đóng vai trò là mô hình cho những gì máy tính lượng tử một ngày nào đó có thể trở thành hiện thực.

Các máy tính như chúng ta biết, từ máy tính để bàn cồng kềnh cho đến iPhone X, tất cả đều hoạt động theo cùng một cách, bất kể sức mạnh hay kích thước của chúng. Chúng vận hành bằng cách lưu trữ thông tin dưới dạng các bit truyền thống, ở dạng 0 hoặc 1.

Nhưng các tính toán được thực hiện một cách tuyến tính – tức là mỗi khả năng có thể xảy ra được khám phá một cách tuần tự - nên những máy tính này tốn khá nhiều thời gian để giải các bài toán phức tạp. Trái lại, máy tính lượng tử có thể thực hiện nhiều phép tính và tạo ra kết quả với tốc độ nhanh hơn nhiều.

Chúng vượt trội hơn so với các máy tính cổ điển ở chỗ chúng dựa trên một bộ nguyên tắc khoa học hoàn toàn khác; cụ thể là phản ứng bất thường và phản trực giác của thế giới hạ nguyên tử.

Làm thế nào vật chất hạ nguyên tử, như photon chẳng hạn, có thể hoạt động như hạt và sóng – tức là tồn tại ở nhiều trạng thái trong cùng một lúc? Thêm vào đó là ý tưởng khó hiểu rằng các tính chất vật lý của các hạt hạ nguyên tử không tồn tại trừ khi chúng được quan sát trực tiếp. Trong khi đó, rối lượng tử, hay còn gọi là liên đới lượng tử giải thích làm thế nào mà các hạt có thể giao tiếp với nhau bất kể chúng cách nhau bao xa.

Những nguyên tắc này rất khó để tập trung nghiên cứu vì chúng khó hiểu một cách cơ bản. Nhà vật lý từng đoạt giải Nobel Richard Feynman đã có một nhận xét nổi tiếng: "Tôi nghĩ tôi có thể nói một cách an toàn rằng không ai hiểu cơ học lượng tử".

Tuy nhiên, bất kể chúng khiến bạn cảm thấy mình ngu ngốc như thế nào, các nhà nghiên cứu đã nỗ lực tạo ra một biểu hiện vật lý của các tính chất này trong các máy mà chúng ta gọi là máy tính lượng tử.

Máy tính lượng tử hoạt động như thế nào?

Trong khi các máy tính cổ điển hoạt động bằng cách mã hóa thông tin thành các bit, máy tính lượng tử chạy bằng cách sử dụng các bit lượng tử được đặt tên khéo léo là bit lượng tử, hay còn gọi là qubit (quantum bit). Và có một sự khác biệt lớn giữa hai thứ này.

Một bit có thể được mã hóa thành 1 hoặc 0, nhưng các qubit có thể có dạng 1 và 0, hay còn được biết đến với thuật ngữ 'chồng chập lượng tử của 1 và 0'; qubit tồn tại đồng thời ở cả hai trạng thái.

Điều này không có nghĩa là một qubit ở dạng 1 và 0 cùng một lúc. Nhưng cả hai điều này đều không sai. Thay vào đó, khi đọc ra, sự chồng chập sụp đổ và bạn có xác suất phát hiện ra 1 hoặc 0. Nhưng nó hoạt động trong thực tế làm thế nào?

Hai bit, khi được nối lại với nhau, có thể là 00, 01, 10 hoặc 11; và chỉ tồn tại trong một trạng thái tại một thời điểm bất kỳ. Tuy nhiên, một máy tính lượng tử có hai qubit có thể ở cả bốn trạng thái - 00, 01, 10 và 11 - cùng một lúc.

Khi nhiều qubit hoạt động song song để xử lý tính toán, sự kết hợp của các trạng thái có thể tồn tại cùng một lúc tăng theo cấp số nhân. Chẳng hạn, một cỗ máy có ba qubit có thể tồn tại ở tám trạng thái, bốn ở 16 trạng thái và một cỗ máy có sức mạnh 32 qubit có thể tồn tại trong sự chồng chất lượng tử của gần 4,3 tỷ trạng thái đồng thời.

Tiến sĩ Talia Gershon của IBM minh họa các khả năng nâng cao của máy tính lượng tử bằng cách so sánh nó với bài toán khách ngồi quanh bàn ăn: có bao nhiêu cách sắp xếp chỗ ngồi cho mười người, và cách sắp xếp tốt nhất là gì?

Máy tính cổ điển sẽ cố gắng giải quyết vấn đề này bằng cách khám phá mọi sự kết hợp có thể theo thứ tự sau đó so sánh chúng. Trong khi đó, máy tính lượng tử có thể mô hình hóa tất cả 3,6 triệu kết hợp cùng một lúc - và tìm ra câu trả lời tốt nhất gần như ngay lập tức. Vì lý do này mà điện toán lượng tử không những xây dựng máy tính có tốc độ chạy nhanh hơn mà còn hoạt động theo một cách hoàn toàn khác về mặt cơ bản với máy tính cổ điển.

Một máy tính lượng tử trông như thế nào, và nó được chế tạo ra sao?

Có một sự giống nhau kỳ lạ khi các kỹ sư đặt những bức ảnh của những chiếc máy tính cổ điển và máy tính lượng tử đầu tiên cạnh nhau. Nhưng bên dưới vẻ ngoài, sự khác biệt về công nghệ là đáng kinh ngạc.

Một qubit đơn bao gồm những gì các nhà vật lý gọi là hệ cơ học lượng tử hai cấp; một hạt hạ nguyên tử duy nhất có thể chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích khi năng lượng được áp dụng.

Có một số ứng cử viên - bao gồm các photon, hạt nhân hoặc thậm chí là một điện tử và mỗi ứng viên sẽ có 1 và 0 tương đương. Ví dụ, hạt nhân đại diện cho '1 hoặc 0' thông qua hướng từ tính của nó; quay lên hoặc quay xuống

Trong một thí nghiệm, các nhà khoa học đã sử dụng một nguyên tử phốt pho được gói gọn trong chip silicon đặt bên cạnh một bóng bán dẫn nhỏ, hai năm trước MIT đã thử nghiệm một qubit dựa vào việc tách một electron khỏi nguyên tử này và treo nó trong không gian trống sử dụng một trường điện từ.

Điện tử, trong ví dụ này, trước tiên được treo trong một từ trường mạnh, sử dụng một nam châm siêu dẫn hoặc một ống nam châm điện lớn (cuộn dây cách điện quấn theo hình xoắn ống mang dòng điện, có đặc tính của một nam châm khi có dòng điện chạy qua). Sau đó, nó được làm lạnh xuống gần như ở mức không tuyệt đối. Ở nhiệt độ phòng, bất kỳ hạt nào được sử dụng làm qubit sẽ bị đảo lộn giữa quay lên và quay xuống, hoặc 1 và 0 do vậy nhiệt độ 0,0015 Kelvin (khoảng -273 độ C) là cần thiết để cố định nó trong vị trí quay lên hoặc quay xuống.

Trong điều kiện này, năng lượng có thể được áp dụng cho electron - được truyền qua vi sóng cộng hưởng với tần số của từ trường - để ghi lại thông tin và thay đổi nó từ quay xuống sang quay lên hoặc ngược lại.

Sự chồng chập lượng tử đạt được bằng cách tác động vào qubit bằng một xung năng lượng và sau đó dừng lại, electron sẽ nằm ở đâu đó giữa quay lên và quay xuống. Sự chồng chập có nghĩa là các qubit có thể tồn tại nhiều trạng thái đồng thời để xử lý thông tin và thực hiện các phép tính – và kết quả sau đó được lấy từ transistor, một loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử.

Ngẫu nhiên, máy tính lượng tử có kích thước quá lớn mặc dù phần lớn là chúng xử lý các hạt nhỏ, hạ nguyên tử. Nguyên nhân là do máy móc cần thiết để đạt được nhiệt độ gần mức 0 tuyệt đối – thiết bị làm lạnh. Chính vì lý do này mà khả năng chế tạo được một máy tính lượng tử có kích thước của một chiếc điện thoại thông minh là vô cùng mong manh.

Những gì máy tính lượng tử có thể giúp chúng ta đạt được

Mặc dù máy tính lượng tử rất có thể sẽ không bao giờ được trang bị cho công nghệ kinh doanh và tiêu dùng dân dụng mà chúng ta sử dụng hàng ngày như điện thoại thông minh hoặc thiết bị 2 trong 1 nhưng điều này không có nghĩa là chúng ta không thể tiếp cận hay sử dụng chúng.

Mặc dù tham gia vào một trong những thực hành cấp cao nhất, các công ty đang chạy đua với nhau trong lĩnh vực này cũng nỗ lực đáng kể trong việc làm cho công nghệ này có thể tiếp cận được bằng cách tích hợp công việc của họ với công nghệ đám mây.

Chẳng hạn, nền tảng Q Experience của IBM cho phép bất cứ ai - từ những nhân viên văn phòng buồn chán tìm kiếm trò tiêu khiển đến các nhà nghiên cứu lượng tử - chơi đùa với một máy tính lượng tử thật được đặt trong phòng thí nghiệm nghiên cứu của IBM. Bằng cách sử dụng nền tảng dựa trên đám mây của IBM, người dùng có thể phát triển các thuật toán của riêng mình và chạy thử nghiệm.

Nhưng những cách thực tế hơn mà chúng ta có thể sử dụng máy tính lượng tử khi chúng trở nên phổ biến hơn một chút trong những năm tới là gì? Có một số ứng dụng, từ những thứ được gọi là tối ưu hóa cho đến mô phỏng y sinh.

Do máy tính lượng tử về cơ bản được chuẩn bị để xử lý các vấn đề toán học cực kỳ phức tạp, tối ưu hóa có lẽ là ảnh hưởng phổ biến nhất mà người tiêu dùng và người dùng doanh nghiệp thông thường sẽ nhận thấy thông qua mô hình truy cập từ xa hiện đang được IBM sử dụng hoặc một cái gì đó tương tự.

Bài toán bàn ăn tối được Tiến sĩ Talia Gershon từ IBM sử dụng là một ví dụ hoàn hảo cho loại vấn đề này. Một ví dụ khác có thể là nếu một hướng dẫn viên du lịch muốn tìm tuyến đường hiệu quả nhất đi qua một chuỗi hơn 200 thành phố chẳng hạn.

Các ứng dụng có thể lập bản đồ các trường hợp có thể xảy ra dựa trên dữ kiện cho sẵn, cũng như các hệ thống đào tạo máy học hiện nay hiệu quả hơn nhiều so với những gì chúng ta có thể.

Bất kể chúng có thể giúp chúng ta giải quyết các vấn đề như thế nào, các nhà nghiên cứu đồng ý rằng máy tính lượng tử sẽ không hiệu quả cho đến khi các máy này có thể chứa hàng ngàn triệu qubit - và vẫn sẽ duy trì tỷ lệ lỗi thấp. IBM thậm chí đã tạo ra thuật ngữ 'khối lượng lượng tử' như là một cách để đánh giá mức độ hiệu quả của một con chip lượng tử - có tính đến một loạt các yếu tố ngoài số lượng qubit.

Mặc dù chip Bristlecone chỉ có 72 qubit nhưng nó là một bước tiến đáng kể so với thứ mà chúng ta đạt được mười năm trước - và tiến bộ trong lĩnh vực này được dự kiến ​​sẽ tiếp tục tăng tốc.

Tuy nhiên, điều làm cho chip của Google trở nên hứa hẹn là tỷ lệ lỗi thấp. Điều này rất quan trọng đối với triển vọng nhân rộng máy tính lượng tử, điều mà không có gì lạ, công ty sau này sẽ xem nó như là một thiết kế mẫu cho các máy có thể mở rộng.

Với những nỗ lực trong toàn ngành được đẩy mạnh, triển vọng xây dựng máy tính lượng tử tốt hơn và hiệu quả hơn trong tương lai không xa vẫn còn nhiều triển vọng.

IBM và máy tính lượng tử

IBM được cho là người dẫn đầu trong nghiên cứu lượng tử. Thông qua bộ phận điện toán lượng tử của mình, IBM Q, công ty đang làm việc để làm cho công nghệ có thể được truy cập rộng rãi hơn và nó có thể làm sáng tỏ về tương lai của những gì máy tính lượng tử có thể nắm giữ.

Một cách để làm điều này là thông qua các phần mở rộng Qisikit. Chương trình nguồn mở này của IBM cho phép các nhà nghiên cứu và các nhà phát triển khám phá điện toán lượng tử thông qua các tập lệnh Python. Bạn thậm chí có thể hợp tác theo yêu cầu cho các tương tác điện toán lượng tử. Điều này có nghĩa là bạn không cần phải là nhà vật lý để tham gia - bạn chỉ cần có kinh nghiệm lập trình từ máy tính xách tay của mình.

Ngoài việc tự phát triển máy tính lượng tử, IBM cũng đang tạo ra một mạng lưới các công ty và tổ chức học thuật để thúc đẩy sự đổi mới trong điện toán lượng tử. Mục tiêu của mạng lưới này là chuẩn bị cho tất cả mọi người, từ sinh viên đến Fortune 500, 500 công ty lớn nhất Hoa Kỳ, đến các công ty khởi nghiệp trước sự phát triển của công nghệ này. Những người tham gia bao gồm Honda, Viện Công nghệ Massachusetts và JP Morgan Chase & Co.

Mạng lưới có ba lĩnh vực trọng tâm chính: tăng tốc nghiên cứu, phát triển các ứng dụng thương mại, giáo dục và chuẩn bị. Để tăng tốc nghiên cứu, IBM cung cấp cho các tổ chức tham gia kiến ​​thức và công cụ để khuyến khích áp dụng rộng rãi. Về mặt phát triển các ứng dụng thương mại, các tổ chức có quyền truy cập vào đám mây của IBM cũng như các phần mở rộng Qiskit, từ đó thúc đẩy họ tạo ra các sáng kiến ​​của riêng mình. Để giáo dục và chuẩn bị, IBM đào tạo thành viên của các tổ chức tham gia và cung cấp hỗ trợ cần thiết.

Mặc dù điện toán lượng tử phổ biến có thể chưa xuất hiện nhưng IBM đang nỗ lực để giúp ngành công nghiệp non trẻ này phát triển thông qua giáo dục và lập trình dễ tiếp cận.

Tường Minh

Theo Công nghệ thông tin và Truyền thông