Máy tính lượng tử: Có “bá đạo” thật hay đang bị thổi phồng?

Tags: cryptography, quantum

Tóm tắt: Bài viết này sẽ giải thích về máy tính lượng tử, một công nghệ hứa hẹn thay đổi cách chúng ta giải quyết các vấn đề phức tạp. Chúng ta sẽ khám phá những lợi thế tiềm năng, những thách thức thực tế và xem xét liệu máy tính lượng tử có thực sự là cuộc cách mạng hay chỉ là một lời hứa chưa được chứng minh.

Máy tính lượng tử: Lời hứa của một thế giới mới

Năm 2019, Google tuyên bố rằng máy tính lượng tử của họ đã giải quyết một bài toán trong 200 giây, trong khi siêu máy tính mạnh nhất thời điểm đó phải mất 10.000 năm. Đây là một tuyên bố gây chấn động, bởi vì sức mạnh tính toán của máy tính lượng tử được dự đoán là sẽ vượt xa máy tính cổ điển. Vậy tại sao sau gần 5 năm, chúng ta vẫn chưa thấy những chiếc laptop, smartphone hay watch lượng tử? Máy tính lượng tử có thực sự “bá đạo” như lời Google tuyên bố hay chỉ là một cú lửa, một quả lựu đạn siêu khổng lồ để thu hút sự chú ý?

Khái niệm máy tính lượng tử: Bước vào thế giới vi mô

Để hiểu rõ hơn về máy tính lượng tử, trước tiên chúng ta cần hiểu thế giới lượng tử. Thế giới mà chúng ta đang sống là thế giới vĩ mô, thế giới của sự to lớn. Còn thế giới lượng tử là thế giới của những hạt kích thước nhỏ hơn nguyên tử.

Lượng tử là lượng nhỏ nhất của một thực thể vật lý. Ví dụ:

• Lượng tử của ánh sáng là photon, hạt mang năng lượng ánh sáng. Hãy tưởng tượng bạn cầm một chiếc đèn pin, khi bật đèn, bạn sẽ thấy ánh sáng phát ra. Thực chất ánh sáng được tạo thành từ vô số photon.
• Lượng tử của nguyên tử là electron, proton và neutron. Nguyên tử là đơn vị cơ bản của vật chất, nó được cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn là electron, proton và neutron.

Trong thế giới lượng tử, các hạt hoạt động khác với thế giới vĩ mô. Hai đặc tính nổi bật là:

1. Trạng thái chồng chất (quantum superposition): Một hạt có thể tồn tại đồng thời ở hai trạng thái. Hãy tưởng tượng bạn có thể vừa thức vừa ngủ, vừa ở nhà vừa ở trường học, hay vừa là con gái vừa là con trai – tất cả cùng một lúc!
2. Rối (quantum entanglement): Hai hạt đang rối có tương quan với nhau bất kể khoảng cách của chúng. Hãy tưởng tượng hai anh em sinh đôi là một cặp hạt rối. Nếu người này buồn, người kia dù cách xa nửa vòng Trái Đất cũng biết là đang vui. Ngược lại, nếu người này giàu, chắc chắn người kia nghèo.

Cần lưu ý rằng, chồng chất và rối là những hiện tượng lượng tử, chỉ xảy ra trong thế giới lượng tử với các hạt lượng tử. Hoàn toàn không có chuyện một người vừa sống vừa chết hay hai người rối với nhau mà lại tâm linh tương quan với nhau. Đó chỉ là những ví dụ để giúp bạn dễ hình dung bản chất kỳ lạ của vật lý lượng tử.

Máy tính lượng tử: Cách mạng hóa xử lý thông tin

Máy tính lượng tử được xây dựng dựa trên hai hiện tượng trọng chất và rối.

Máy tính cổ điển sử dụng bit, một đơn vị thông tin có thể mang giá trị 0 hoặc 1. Chúng tương ứng với trạng thái tắt hoặc bật của một bóng bán dẫn trên vi xử lý. Một vi xử lý hiện đại có thể chứa hàng tỷ bóng bán dẫn, giúp nó xử lý hàng triệu, thậm chí hàng tỷ phép tính mỗi giây.

Máy tính lượng tử sử dụng qubit (quantum bit), một đơn vị thông tin dựa trên các nguyên tắc lượng tử. Qubit có thể mang cả hai giá trị 0 và 1 cùng một lúc do đặc tính trọng chất.

Hơn nữa, qubit có thể bị rối với các qubit khác, tạo ra một mạng lưới phức tạp của các trạng thái liên kết. Điều này cho phép máy tính lượng tử tính toán song song trên nhiều giá trị cùng một lúc, mang lại tốc độ xử lý vượt trội so với máy tính cổ điển.

Ví dụ:

• Với 3 bit, máy tính cổ điển chỉ có thể biểu diễn 1 trong 8 khả năng (2^3 = 8) tại một thời điểm.
• Với 3 qubit, máy tính lượng tử có thể biểu diễn 8 khả năng đồng thời (2^3 = 8).

Nói cách khác, máy tính lượng tử có thể thực hiện nhiều phép tính cùng lúc, giúp chúng giải quyết những bài toán phức tạp mà máy tính cổ điển mất hàng triệu năm để hoàn thành.

Bảng so sánh Máy tính Cổ điển và Máy tính Lượng tử

Đặc điểm	Máy tính Cổ điển	Máy tính Lượng tử
Đơn vị thông tin	Bit (0 hoặc 1)	Qubit (0, 1, hoặc cả hai cùng lúc)
Xử lý thông tin	Tuyến tính (một phép tính tại một thời điểm)	Song song (nhiều phép tính cùng lúc)
Khả năng tính toán	Hạn chế đối với các bài toán phức tạp	Vượt trội trong các bài toán phức tạp
Độ nhạy cảm với môi trường	Ít nhạy cảm	Rất nhạy cảm, dễ bị sụp đổ trạng thái lượng tử
Tỉ lệ lỗi	Thấp	Cao
Yêu cầu làm lạnh	Không cần	Cần làm lạnh đến nhiệt độ cực thấp
Thời gian hoạt động	Không giới hạn	Giới hạn bởi thời gian giữ trạng thái lượng tử
Ứng dụng	Hầu hết các tác vụ hàng ngày, từ lướt web đến chơi game	Các bài toán phức tạp trong khoa học, y học, tài chính, v.v.
Sự sẵn có	Phổ biến	Hiện vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển
Chi phí	Tương đối thấp	Rất cao

Lưu ý: Bảng này chỉ là so sánh đơn giản, thực tế vẫn còn nhiều khía cạnh phức tạp hơn cần được xem xét.

Thách thức của máy tính lượng tử: Từ giấc mơ đến hiện thực

Mặc dù máy tính lượng tử có tiềm năng to lớn, nhưng hiện tại chúng ta vẫn còn một chặng đường dài để đưa chúng vào ứng dụng thực tế.

• Độ nhạy cảm: Qubit rất nhạy cảm với môi trường xung quanh. Nếu chúng không được cách ly hoàn hảo, trạng thái lượng tử sẽ bị sụp đổ, qubit sẽ không còn trọng chất và rối nữa. Hãy tưởng tượng bạn đang chơi một trò chơi điện tử, nhưng bất cứ lúc nào, nhân vật của bạn cũng có thể đột nhiên biến mất hoặc thay đổi hình dạng – đó là những gì có thể xảy ra với qubit.
• Tỉ lệ lỗi: Máy tính lượng tử có tỉ lệ lỗi cao hơn nhiều so với máy tính cổ điển. Bạn có thể tưởng tượng mình đang viết một bài luận, nhưng bất cứ lúc nào, một vài chữ cái có thể tự động biến mất hoặc thay đổi thành những chữ cái khác – đó là những gì có thể xảy ra với máy tính lượng tử.
• Làm lạnh: Hầu hết máy tính lượng tử yêu cầu qbit được làm lạnh đến phạm vi micro Kelvin, gần -273 độ C. Điều này đòi hỏi những hệ thống làm lạnh phức tạp và tốn kém.
• Sự tấn công của vũ trụ: Ngay cả trong điều kiện bảo quản lạnh hoàn hảo, các hạt vũ trụ cũng có thể làm hỏng các chip lượng tử. Hạt vũ trụ như những viên đạn nhỏ có thể bắn phá các qubit và làm chúng bị hỏng.
• Thời gian hoạt động: Các qubit không thể giữ được trạng thái lượng tử của chúng quá lâu. Điều này hạn chế thời gian hoạt động của máy tính lượng tử và khiến chúng không phù hợp cho những công việc tốn nhiều thời gian. Hãy tưởng tượng bạn đang chơi một trò chơi điện tử, nhưng bất cứ lúc nào, trò chơi có thể bị ngắt kết nối và bạn phải bắt đầu lại từ đầu – đó là những gì có thể xảy ra với máy tính lượng tử.

Cho đến nay, hầu hết các tuyên bố về sự thượng đẳng lượng tử của các nhà nghiên cứu đến từ những tính toán được thiết kế riêng cho máy tính lượng tử. Gần như chưa có bất kỳ ứng dụng hữu ích nào trong thế giới thực.

Tương lai của máy tính lượng tử: Hy vọng và những ẩn số

Dù còn nhiều thách thức, máy tính lượng tử vẫn là một công nghệ đầy tiềm năng. Khi chúng ta đạt được sự thượng đẳng lượng tử với những chiếc máy tính hàng triệu qubit có khả năng tự sửa lỗi, chúng có thể thay đổi cách chúng ta giải quyết những vấn đề phức tạp.

Một số ứng dụng tiềm năng của máy tính lượng tử:

• Phát triển thuốc và vật liệu mới: Máy tính lượng tử có thể mô phỏng các phản ứng hóa học một cách chính xác hơn so với máy tính cổ điển, giúp chúng ta tìm ra những loại thuốc và vật liệu mới hiệu quả hơn.
• Tăng cường trí tuệ nhân tạo: Máy tính lượng tử có thể giúp huấn luyện các mô hình trí tuệ nhân tạo với tập dữ liệu khổng lồ, tạo ra những hệ thống thông minh hơn.
• Mật mã học: Máy tính lượng tử có thể bẻ khóa các mã hóa hiện tại, đòi hỏi chúng ta phải phát triển những phương thức mã hóa mới an toàn hơn.
• Khám phá vũ trụ: Máy tính lượng tử có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về vũ trụ và các bí mật của vật lý lượng tử.

Tuy nhiên, vẫn chưa có lý do gì để bạn mơ đến một chiếc laptop hay iPhone lượng tử. Máy tính cổ điển vẫn là cách dễ dàng, đơn giản và rẻ tiền nhất để giải quyết hầu hết các vấn đề. Máy tính lượng tử có thể sẽ chỉ được sử dụng để giải quyết những vấn đề nằm ngoài khả năng của máy tính cổ điển.

Nhận xét

Máy tính lượng tử là một chủ đề đầy hấp dẫn và tiềm năng, hứa hẹn một cuộc cách mạng trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, con đường từ lý thuyết đến thực tiễn vẫn còn nhiều thử thách. Hiện tại, những ứng dụng thực tế của máy tính lượng tử vẫn còn hạn chế, và chúng ta chưa thể kỳ vọng vào một cuộc cách mạng công nghệ ngay lập tức. Dù vậy, việc nghiên cứu và phát triển công nghệ này là vô cùng cần thiết, bởi vì nó có thể mang lại những lợi ích to lớn trong tương lai. Nỗ lực của các nhà khoa học và kỹ sư trong việc giải quyết những thách thức kỹ thuật và tạo ra những chiếc máy tính lượng tử hiệu quả hơn là vô cùng đáng khen ngợi. Chúng ta hãy cùng chờ xem tương lai của máy tính lượng tử sẽ như thế nào!

Các thông tin liên quan

• Máy tính lượng tử đang được phát triển bởi nhiều công ty và tổ chức, bao gồm Google, IBM, Microsoft, Amazon và nhiều trường đại học.
• Các nhà nghiên cứu đang cố gắng khắc phục những thách thức của máy tính lượng tử bằng cách phát triển những thuật toán mới, vật liệu mới và các kỹ thuật làm lạnh tiên tiến.
• Google đã sử dụng máy tính lượng tử để mô phỏng một phân tử đơn giản, một thành tích chưa từng có đối với máy tính cổ điển.
• IBM đã phát triển một nền tảng đám mây lượng tử cho phép người dùng truy cập và sử dụng máy tính lượng tử.
• Một số nhà khoa học tin rằng máy tính lượng tử có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về vũ trụ và các bí mật của vật lý lượng tử.

Kết luận

Máy tính lượng tử là một công nghệ đầy tiềm năng, nhưng còn nhiều thách thức cần phải vượt qua. Chúng ta không nên kỳ vọng vào những chiếc laptop hay iPhone lượng tử trong tương lai gần. Tuy nhiên, máy tính lượng tử có thể thay đổi cách chúng ta giải quyết các vấn đề phức tạp và mở ra những khả năng mới trong nhiều lĩnh vực.

Hãy theo dõi Click Digital để cập nhật những thông tin mới nhất về công nghệ máy tính lượng tử.