Nếu như máy tính thường hoạt động dựa trên các bit có 2 giá trị 0 và 1, máy tính lượng tử là những Qubit vô số giá trị trong khoảng 0-1.
Máy tính lượng tử được hy vọng vượt mặt máy tính truyền thống, mang lại cho nhân loại khả năng tính toán “vô hạn”. Thế nhưng kể từ khi được đề cập trên các mặt báo, tới nay vẫn chưa có chiếc máy tính lượng tử nào thực sự nổi trội.
Lý do máy tính lượng tử vẫn chưa được sử dụng rộng rãi, nói một cách dễ hiểu, bởi người ta chưa kiểm soát được hành vi các hạt bên trong bộ vi xử lý. Công nghệ của chúng ta vẫn chưa đạt đến mốc “ưu thế lượng tử tối cao”, cảnh giới có thể kiểm soát được hành vi các hạt hạ nguyên tử.
“Chúng ta đang đi vào thế giới mà ứng xử của thiết bị lượng tử không tuân theo cách cổ điển”, John Preskill, Giáo sư vật lý lý thuyết tại Viện Công nghệ California, người sáng tạo thuật ngữ “ưu thế lượng tử tối cao”, chia sẻ với Gizmodo.
Cách máy tính lượng tử hoạt động
Về cơ bản, máy tính thường hoạt động dựa trên các bit, mỗi bit có 2 giá trị 0 và 1. Tại một thời điểm, mỗi bit chỉ có thể nhận một giá trị duy nhất. Thế nhưng với máy tính lượng tử, các Qubit có nhiều hơn 2 giá trị, chúng có thể có vô số giá trị trong khoảng 0-1.
Tại mỗi thời điểm, chúng cũng có thể có nhiều giá trị khác nhau. Nghe có vẻ khó hiểu, nhưng nếu thấy khó hiểu tức là bạn bình thường.
Các Qubit có vô vàn giá trị trong khoảng 0-1. Ảnh: The Next Web.
Qubit hoạt động tuân theo những định luật kì lạ của thế giới lượng tử. Kiểm soát được chúng khá khó khăn, đòi hỏi các nhà khoa học phải tìm hiểu nhiều hơn nữa về thế giới những hạt nhỏ hơn cả các nguyên tử.
Người ta thường áp dụng máy tính lượng tử để thực hiện những phép tính khổng lồ trong chớp mắt, như tạo ra lượng rất lớn các số ngẫu nhiên. Điều này tối quan trọng vì gần như toàn bộ hệ thống bảo mật máy tính chúng ta ngày nay dựa trên bài toán P và NP, trong đó thuật toán tạo ra khoá bảo mật nhanh hơn nhiều so với việc bẻ khoá chúng.
Việc kiểm tra các khoá là rất dễ, chỉ cần số lượng khổng lồ các số ngẫu nhiên, hệ thống máy tính lượng tử có thể nhanh chóng kiểm tra từng số và cuối cùng là bẻ khoá bảo mật trong thời gian ngắn hơn nhiều.
Dù giải quyết nhanh một số bài toán đặc thù, máy tính lượng tử lại rất chậm trong các bài toán máy tính cổ điển làm rất nhanh. Đó là lí do chúng vẫn chưa thể thay thế được máy tính ngày nay.
Ưu thế lượng tử tối cao
Ưu thế lượng tử tối cao từ góc độ khoa học là khả năng cung cấp cho các nhà khoa học một cách cụ thể để xác định máy tính lượng tử có hay không hữu ích cho việc gì, sau đó so sánh với máy tính cổ điển.
Đến đầu những năm 1990, các nhà khoa học máy tính lý thuyết nghĩ ra những vấn đề chỉ có máy tính lượng tử giải quyết được như thuật toán Shor. Kết quả là máy tính lượng tử được dùng để tạo ra các số ngẫu nhiên hữu ích, ứng dụng nhiều trong mật mã, bảo mật, đánh bạc, mô phỏng.
Máy tính thương mại đầu tiên Q System One của IBM trong lần giới thiệu tại CES 2019. Ảnh: Extremetech.
Hiện các nhà khoa học tại Google tin rằng một con chip được trang bị đủ số Qubit có thể đạt được mốc ưu thế lượng tử tối cao, vượt mặt tất cả máy tính cổ điển trong các tác vụ được thiết kế riêng cho nó. Tuy nhiên, vấn đề không hẳn nằm ở việc chế tạo máy tính lượng tử, mà nằm ở khâu vận hành.
Để sử dụng được bộ vi xử lý lượng tử, nhà khoa học cần dùng các tia laser để bẫy các nguyên tử bên trong bộ vi xử lý, đưa toàn bộ vật liệu chip về trạng thái siêu dẫn ở mức 0 độ K (-273 độ C).
Để kiểm soát được trạng thái hoạt động máy tính lượng tử, cần có các điều kiện tuyệt đối chuẩn. Chỉ cần một chút năng lượng rò rỉ từ bên ngoài vào có thể biến các Qubit thành một bit thông thường và toàn bộ cỗ máy sẽ thành vô dụng.
Trên các hệ thống máy tính lượng tử thí nghiệm, nhà nghiên cứu chỉ mới thực hiện được một số phép tính cơ bản là các cổng logic. Duy trì trạng thái hoạt động cho cỗ máy là việc phức tạp và thường nhiều Qubit hoạt động cùng lúc sẽ làm toàn bộ hệ thống thất bại.
Không kiểm chứng được kết quả
Việc phức tạp thứ hai nằm ở khâu chứng minh máy tính lượng tử vượt trội so với máy tính cổ điển. Điều này phức tạp ở chỗ, các nhà khoa học phải kiểm chứng kết quả được tính toán bởi máy tính lượng tử và máy tính thường.
Nếu có một bài toán mà máy tính cổ điển không giải quyết được, làm cách nào kiểm chứng kết quả được thực hiện trên máy tính lượng tử là đúng hay sai?
“Nhiều người tuyên bố đã đạt được mốc ưu thế lượng tử tối cao, nhưng vấn đề là làm cách nào kiểm chứng được kết quả của họ?” Grameme Smith, trợ lý Giáo sư tại Đại học Colorado cho biết.
Người ta tin rằng một máy tính lượng tử 100-Qubits sẽ mạnh hơn tất cả các máy tính cổ điển từng được chế tạo (kể cả các siêu máy tính). Ảnh: The Next Web.
Các nhà khoa học tại IBM đang cố đơn giản vấn đề. Họ đưa ra thuật ngữ “ưu thế lượng tử”, chứng minh rằng các tác vụ mà máy tính cổ điển có thể làm thì máy tính lượng tử làm nhanh và tốt hơn. Điều này có vẻ dễ chấp nhận so với việc đưa một tác vụ cho máy tính mà kết quả của nó không kiểm chứng được.
Tuy nhiên, các hệ thống máy tính lượng tử ngày nay vẫn còn rất khó để vận hành. Cho dù ưu thế của chúng có “tối cao” hay không, việc thương mại vẫn còn khá xa vời.
Chính phủ Mỹ đang đầu tư nhiều hơn cho lĩnh vực này, nhưng dù các nhà khoa học có đạt được mốc “ưu thế lượng tử tối cao” hay không, phải khá lâu nữa người dùng bình thường mới có thể sử dụng được một chiếc điện thoại lượng tử.
Máy tính lượng tử được hy vọng vượt mặt máy tính truyền thống, mang lại cho nhân loại khả năng tính toán “vô hạn”. Thế nhưng kể từ khi được đề cập trên các mặt báo, tới nay vẫn chưa có chiếc máy tính lượng tử nào thực sự nổi trội.
Lý do máy tính lượng tử vẫn chưa được sử dụng rộng rãi, nói một cách dễ hiểu, bởi người ta chưa kiểm soát được hành vi các hạt bên trong bộ vi xử lý. Công nghệ của chúng ta vẫn chưa đạt đến mốc “ưu thế lượng tử tối cao”, cảnh giới có thể kiểm soát được hành vi các hạt hạ nguyên tử.
“Chúng ta đang đi vào thế giới mà ứng xử của thiết bị lượng tử không tuân theo cách cổ điển”, John Preskill, Giáo sư vật lý lý thuyết tại Viện Công nghệ California, người sáng tạo thuật ngữ “ưu thế lượng tử tối cao”, chia sẻ với Gizmodo.
Cách máy tính lượng tử hoạt động
Về cơ bản, máy tính thường hoạt động dựa trên các bit, mỗi bit có 2 giá trị 0 và 1. Tại một thời điểm, mỗi bit chỉ có thể nhận một giá trị duy nhất. Thế nhưng với máy tính lượng tử, các Qubit có nhiều hơn 2 giá trị, chúng có thể có vô số giá trị trong khoảng 0-1.
Tại mỗi thời điểm, chúng cũng có thể có nhiều giá trị khác nhau. Nghe có vẻ khó hiểu, nhưng nếu thấy khó hiểu tức là bạn bình thường.
Các Qubit có vô vàn giá trị trong khoảng 0-1. Ảnh: The Next Web.
Qubit hoạt động tuân theo những định luật kì lạ của thế giới lượng tử. Kiểm soát được chúng khá khó khăn, đòi hỏi các nhà khoa học phải tìm hiểu nhiều hơn nữa về thế giới những hạt nhỏ hơn cả các nguyên tử.
Người ta thường áp dụng máy tính lượng tử để thực hiện những phép tính khổng lồ trong chớp mắt, như tạo ra lượng rất lớn các số ngẫu nhiên. Điều này tối quan trọng vì gần như toàn bộ hệ thống bảo mật máy tính chúng ta ngày nay dựa trên bài toán P và NP, trong đó thuật toán tạo ra khoá bảo mật nhanh hơn nhiều so với việc bẻ khoá chúng.
Việc kiểm tra các khoá là rất dễ, chỉ cần số lượng khổng lồ các số ngẫu nhiên, hệ thống máy tính lượng tử có thể nhanh chóng kiểm tra từng số và cuối cùng là bẻ khoá bảo mật trong thời gian ngắn hơn nhiều.
Dù giải quyết nhanh một số bài toán đặc thù, máy tính lượng tử lại rất chậm trong các bài toán máy tính cổ điển làm rất nhanh. Đó là lí do chúng vẫn chưa thể thay thế được máy tính ngày nay.
Ưu thế lượng tử tối cao
Ưu thế lượng tử tối cao từ góc độ khoa học là khả năng cung cấp cho các nhà khoa học một cách cụ thể để xác định máy tính lượng tử có hay không hữu ích cho việc gì, sau đó so sánh với máy tính cổ điển.
Đến đầu những năm 1990, các nhà khoa học máy tính lý thuyết nghĩ ra những vấn đề chỉ có máy tính lượng tử giải quyết được như thuật toán Shor. Kết quả là máy tính lượng tử được dùng để tạo ra các số ngẫu nhiên hữu ích, ứng dụng nhiều trong mật mã, bảo mật, đánh bạc, mô phỏng.
Máy tính thương mại đầu tiên Q System One của IBM trong lần giới thiệu tại CES 2019. Ảnh: Extremetech.
Hiện các nhà khoa học tại Google tin rằng một con chip được trang bị đủ số Qubit có thể đạt được mốc ưu thế lượng tử tối cao, vượt mặt tất cả máy tính cổ điển trong các tác vụ được thiết kế riêng cho nó. Tuy nhiên, vấn đề không hẳn nằm ở việc chế tạo máy tính lượng tử, mà nằm ở khâu vận hành.
Để sử dụng được bộ vi xử lý lượng tử, nhà khoa học cần dùng các tia laser để bẫy các nguyên tử bên trong bộ vi xử lý, đưa toàn bộ vật liệu chip về trạng thái siêu dẫn ở mức 0 độ K (-273 độ C).
Để kiểm soát được trạng thái hoạt động máy tính lượng tử, cần có các điều kiện tuyệt đối chuẩn. Chỉ cần một chút năng lượng rò rỉ từ bên ngoài vào có thể biến các Qubit thành một bit thông thường và toàn bộ cỗ máy sẽ thành vô dụng.
Trên các hệ thống máy tính lượng tử thí nghiệm, nhà nghiên cứu chỉ mới thực hiện được một số phép tính cơ bản là các cổng logic. Duy trì trạng thái hoạt động cho cỗ máy là việc phức tạp và thường nhiều Qubit hoạt động cùng lúc sẽ làm toàn bộ hệ thống thất bại.
Không kiểm chứng được kết quả
Việc phức tạp thứ hai nằm ở khâu chứng minh máy tính lượng tử vượt trội so với máy tính cổ điển. Điều này phức tạp ở chỗ, các nhà khoa học phải kiểm chứng kết quả được tính toán bởi máy tính lượng tử và máy tính thường.
Nếu có một bài toán mà máy tính cổ điển không giải quyết được, làm cách nào kiểm chứng kết quả được thực hiện trên máy tính lượng tử là đúng hay sai?
“Nhiều người tuyên bố đã đạt được mốc ưu thế lượng tử tối cao, nhưng vấn đề là làm cách nào kiểm chứng được kết quả của họ?” Grameme Smith, trợ lý Giáo sư tại Đại học Colorado cho biết.
Người ta tin rằng một máy tính lượng tử 100-Qubits sẽ mạnh hơn tất cả các máy tính cổ điển từng được chế tạo (kể cả các siêu máy tính). Ảnh: The Next Web.
Các nhà khoa học tại IBM đang cố đơn giản vấn đề. Họ đưa ra thuật ngữ “ưu thế lượng tử”, chứng minh rằng các tác vụ mà máy tính cổ điển có thể làm thì máy tính lượng tử làm nhanh và tốt hơn. Điều này có vẻ dễ chấp nhận so với việc đưa một tác vụ cho máy tính mà kết quả của nó không kiểm chứng được.
Tuy nhiên, các hệ thống máy tính lượng tử ngày nay vẫn còn rất khó để vận hành. Cho dù ưu thế của chúng có “tối cao” hay không, việc thương mại vẫn còn khá xa vời.
Chính phủ Mỹ đang đầu tư nhiều hơn cho lĩnh vực này, nhưng dù các nhà khoa học có đạt được mốc “ưu thế lượng tử tối cao” hay không, phải khá lâu nữa người dùng bình thường mới có thể sử dụng được một chiếc điện thoại lượng tử.
Theo Zing
