Một loạt đột phá giờ đây đã mang lại “khả năng lượng tử” trong tầm tay, với việc kỹ sư trình diễn những chiếc máy tính có khả năng tính toán ở mức độ phức tạp đến mức có thể đánh bại những siêu máy tính mạnh nhất.

Một cuộc đua đang diễn ra để phát triển những cỗ máy lớn hơn có thể mô hình hóa chính xác hành vi của các hiện tượng phức tạp trong thế giới thực và mang lại bước nhảy vọt trong những lĩnh vực khác nhau như phát triển thuốc, mô hình tài chính cùng trí tuệ nhân tạo (AI).

Máy tính lượng tử có gì hấp dẫn?

Chúng có thể làm được những việc mà máy tính cổ điển không thể. Google tiết lộ vào tháng 4 rằng một trong những máy tính lượng tử của hãng chỉ mất vài giấy đã giải quyết được một vấn đề mà siêu máy tính mạnh nhất thế giới có thể phải mất 47 năm. Máy tính lượng tử thử nghiệm thường được giao các nhiệm vụ mà máy tính thông thường sẽ mất quá nhiều thời gian để thực hiện, chẳng hạn như mô phỏng sự tương tác của các phân tử phức tạp để phát hiện thuốc.

Tiềm năng lớn nhất của máy tính lượng tử là mô hình hóa các hệ thống phức tạp gồm số lượng lớn các bộ phận chuyển động có hành vi thay đổi khi chúng tương tác, chẳng hạn dự đoán hành vi của thị trường tài chính, tối ưu hóa chuỗi cung ứng và vận hành các mô hình ngôn ngữ lớn được sử dụng trong AI tạo sinh. Máy tính lượng tử dự kiến sẽ không được sử dụng nhiều trong công việc tốn nhiều công sức nhưng đơn giản hơn được thực hiện bởi hầu hết các máy tính ngày nay.

Những ai đang xây dựng máy tính lượng tử?

D-Wave Systems (Canada) đã trở thành công ty đầu tiên bán máy tính lượng tử để giải quyết các vấn đề tối ưu hóa vào năm 2011. IBM, Google, Amazon Web Services và nhiều công ty khởi nghiệp đều đã tạo ra các máy tính lượng tử hoạt động được.

Gần đây hơn, các công ty khác, gồm cả Microsoft đã đạt được tiến bộ trong việc xây dựng các siêu máy tính lượng tử thực tế và có thể mở rộng. Intel bắt đầu vận chuyển một chip lượng tử silicon cho các nhà nghiên cứu với các bóng bán dẫn được gọi là qubit (bit lượng tử) nhỏ hơn tới 1 triệu lần so với loại khác. Microsoft và các hãng khác, gồm cả công ty khởi nghiệp Universal Quantum, dự kiến sẽ xây dựng siêu máy tính lượng tử trong vòng 10 năm tới.

Trung Quốc đang xây dựng phòng thí nghiệm quốc gia về khoa học thông tin lượng tử trị giá 10 tỉ USD như một phần của nỗ lực lớn trong lĩnh vực này.

Máy tính lượng tử hoạt động như thế nào?

Chúng sử dụng các mạch điện cực nhỏ để thực hiện các phép tính, tương tự các máy tính truyền thống. Thế nhưng, máy tính lượng tử thực hiện những phép tính này một cách song song thay vì tuần tự. Đó là lý do khiến chúng thực hiện nhanh như vậy. Các máy tính thông thường xử lý thông tin theo đơn vị gọi là bit, có thể biểu thị một trong hai trạng thái có thể xảy ra là 0 hoặc 1, tương ứng với việc một phần của chip máy tính được gọi là cổng logic đang mở hay đóng.

Trước khi chuyển sang xử lý phần thông tin tiếp theo, máy tính truyền thống phải gán một giá trị cho phần thông tin trước đó. Ngược lại, nhờ khía cạnh xác suất của cơ học lượng tử, các qubit trong máy tính lượng tử không cần phải được gán một giá trị cho đến khi máy tính hoàn thành toàn bộ phép tính. Vì vậy, trong khi ba bit trong một máy tính thông thường chỉ có thể biểu thị 1 trong 8 khả năng gồm 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 và 111, máy tính lượng tử gồm ba qubit có thể xử lý tất cả chúng cùng lúc.

Về lý thuyết, một máy tính lượng tử có 4 qubit có thể xử lý lượng thông tin gấp 16 lần so với một máy tính thông thường với kích thước tương đương và sẽ tiếp tục tăng gấp đôi sức mạnh với mỗi qubit được thêm vào. Đó là lý do tại sao máy tính lượng tử có thể xử lý nhiều thông tin hơn theo cấp số nhân so với máy tính cổ điển.

Máy tính lượng tử trả về kết quả như thế nào?

Khi thiết kế một máy tính tiêu chuẩn, các kỹ sư dành nhiều thời gian để cố gắng đảm bảo rằng trạng thái của mỗi bit là độc lập với trạng thái của tất cả bit khác. Thế nhưng, các qubit thuộc dạng liên kết, nghĩa là tính chất của một qubit phụ thuộc vào tính chất của các qubit xung quanh nó.

Đây là một lợi thế vì thông tin có thể được truyền nhanh hơn giữa các qubit khi chúng phối hợp với nhau để đi đến giải pháp. Khi thuật toán lượng tử chạy, các kết quả trái ngược nhau (do đó không chính xác) từ các qubit sẽ triệt tiêu lẫn nhau, trong khi các kết quả tương thích (có thể xảy ra) sẽ được khuếch đại. Hiện tượng này cho phép máy tính lượng tử đưa ra câu trả lời mà nó cho là có khả năng đúng nhất.

Làm thế nào để bạn tạo ra một qubit?

Về lý thuyết, bất cứ thứ gì thể hiện các đặc tính cơ học lượng tử có thể được kiểm soát đều có thể được sử dụng để tạo ra qubit.

IBM, D-Wave và Google sử dụng những vòng dây siêu dẫn nhỏ. Những hãng khác sử dụng chất bán dẫn và một số sử dụng kết hợp cả hai.

Một số trong số những phương pháp này đòi hỏi những điều kiện rất đặc biệt, chẳng hạn như nhiệt độ lạnh hơn nhiệt độ được tìm thấy trong không gian sâu.

Khi nào có được máy tính lượng tử?

Điều này phụ thuộc vào những gì bạn muốn sử dụng máy tính lượng tử cho mục đích gì. Các học giả đã giải quyết vấn đề trên các máy có qubit 100 thông qua IBM Quantum Platform (nền tảng lượng tử IBM) dựa trên đám mây mà công chúng có thể dùng thử (nếu biết cách phát triển mã lượng tử). Các nhà khoa học đặt mục tiêu cung cấp máy tính lượng tử “phổ quát” phù hợp cho những ứng dụng thương mại trong thập kỷ tới. Một cảnh báo về khả năng giải quyết vấn đề to lớn của máy tính lượng tử là bẻ khóa các hệ thống mã hóa cổ điển.

Có lẽ dấu hiệu tốt nhất cho thấy chúng ta đang tiến gần đến điện toán lượng tử đến mức nào là các chính phủ đang ký chỉ thị và những doanh nghiệp đang rót hàng triệu USD để bảo vệ các hệ thống máy tính cũ không bị máy lượng tử bẻ khóa.

Sơn Vân