Máy tính lượng tử là gì?
Máy tính lượng tử (Quantum computing) là một loại máy tính sử dụng các nguyên lý cơ học lượng tử để thực hiện các phép tính. Cơ học lượng tử là một nhánh của vật lý mô tả hành vi của các vật thể rất nhỏ, chẳng hạn như nguyên tử và các hạt nhỏ hơn nhiều so với nguyên tử hay còn gọi là hạt hạ nguyên tử.
Khác với máy tính kỹ thuật số, máy tính lượng tử hoạt động dựa trên hoạt động của cơ học lượng tử, để xử lý dữ liệu đầu vào. Như vậy, hiểu đơn giản máy tính lượng tử là máy tính hoạt động trên cơ sở của những hạt lượng tử.
Máy tính lượng tử có thể có những ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như khoa học vật liệu, phát triển các loại thuốc mới trong dược học, mô hình tài chính, quân sự, tình báo, hàng không vũ trụ, năng lượng hạt nhân, trí tuệ nhân tạo (AI).... Chúng có tiềm năng cách mạng hóa nhiều lĩnh vực khác nhau và có tác động đáng kể đến cách chúng ta sống và làm việc.
Máy tính lượng tử hoạt động như thế nào?
Máy tính lượng tử sử dụng bit lượng tử hay “qubit” để lưu trữ và xử lý thông tin. Qubit về cơ bản khác với các bit cổ điển, được sử dụng trong máy tính cổ điển và chỉ có thể có giá trị 0 hoặc 1. Qubit có thể tồn tại ở trạng thái chồng chất, nghĩa là chúng có thể đồng thời chiếm giữ nhiều trạng thái. Điều này cho phép máy tính lượng tử thực hiện một số phép tính nhanh hơn nhiều so với máy tính cổ điển.
Máy tính lượng tử hoạt động dựa trên các nguyên tắc cơ học lượng tử, mô tả hành vi của các hạt ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử. Một trong những nguyên lý then chốt của cơ học lượng tử là lưỡng tính sóng-hạt, tức là các hạt vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt, tùy thuộc vào cách chúng được quan sát.
Để thực hiện phép tính, máy tính lượng tử sử dụng cổng logic lượng tử, tương tự như cổng logic được sử dụng trong máy tính cổ điển. Tuy nhiên, trong khi các cổng logic cổ điển hoạt động trên các bit cổ điển chỉ có thể ở một trạng thái tại một thời điểm, thì các cổng logic lượng tử hoạt động trên các qubit có thể tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái.
Trong máy tính cổ điển, đơn vị thông tin cơ bản là “bit”, có thể có giá trị 0 hoặc 1. Máy tính lượng tử sử dụng “qubit”, có thể biểu thị đồng thời giá trị 0, 1 hoặc cả hai. Điều này cho phép máy tính lượng tử thực hiện nhiều phép tính cùng một lúc, thay vì tuần tự như máy tính cổ điển.
Ngoài ra, máy tính lượng tử có thể khai thác một hiệu ứng được gọi là “đường hầm lượng tử” để khám phá nhiều giải pháp khả thi cho một vấn đề cùng một lúc, thay vì tìm kiếm từng giải pháp một như máy tính cổ điển. Điều này có thể tăng thêm tốc độ của máy tính lượng tử đối với một số loại vấn đề nhất định.
Máy tính lượng tử sẽ thay đổi thế giới như thế nào?
Máy tính lượng tử có khả năng thực hiện một số phép tính nhanh hơn nhiều so với máy tính cổ điển, khiến chúng trở thành công nghệ quan trọng cho nhiều ứng dụng. Máy tính lượng tử có tiềm năng tác động đáng kể đến nhiều lĩnh vực khác nhau và có tác động sâu rộng đến xã hội.
Thúc đẩy quá trình nghiên cứu khoa học
Máy tính lượng tử có thể được sử dụng để thực hiện các mô phỏng và tính toán phức tạp, cho phép các nhà nghiên cứu khoa học thực hiện những khám phá mới và tìm hiểu các hiện tượng phức tạp một cách nhanh chóng hơn. Từ đó có thể thúc đẩy phát triển những công nghệ mới và những tiến bộ khoa học kỹ thuật mới trong nhiều lĩnh vực, từ y tế và khoa học vật liệu đến năng lượng và giao thông vận tải.
Tăng cường an ninh mạng và bảo vệ an ninh quốc gia
Máy tính lượng tử có thể được sử dụng để phá vỡ các phương thức mã hóa hiện tại, khiến tội phạm mạng khó truy cập thông tin nhạy cảm hơn. Chúng cũng có thể được sử dụng để phân tích lượng lớn dữ liệu nhằm xác định các phương thức và mối đe dọa trên không gian mạng, tăng cường các giải pháp bảo vệ an ninh quốc gia.
Cải thiện chăm sóc sức khỏe
Máy tính lượng tử có thể được sử dụng trong chăm sóc sức khỏe để thực hiện các mô phỏng và tính toán phức tạp nhằm xác định các loại thuốc mới và tối ưu hóa cấu trúc của các loại thuốc hiện có để làm cho chúng hiệu quả hơn. Điều này có thể dẫn đến các phương pháp điều trị và liệu pháp tốt hơn cho nhiều loại bệnh và tình trạng bệnh khác nhau.
Chẩn đoán trong chăm sóc sức khỏe có tác động đáng kể đến kết quả của bệnh nhân. Nó ngày càng trở nên phức tạp và tốn kém và một số nghiên cứu cho thấy sai số có thể lên tới 25%. Chẩn đoán sai có thể khá tốn kém, chưa kể đến nguy hiểm đến tính mạng; ví dụ, một nghiên cứu cho thấy rằng việc phát hiện sớm ung thư ruột kết có thể cải thiện khả năng sống sót gấp 9 lần với chi phí giảm 4 lần.
Các kỹ thuật phân loại được sử dụng trong chẩn đoán như xác định xem tế bào có phải là ung thư hay không và máy tính lượng tử có thể giúp đánh giá kết quả chính xác hơn. Trong dự đoán, máy tính lượng tử có thể cải thiện đáng kể các dự đoán cấu trúc của các cấu trúc phức tạp như protein, DNA, RNA.
Cải thiện việc đưa ra các quyết định
Máy tính lượng tử có thể được sử dụng để thực hiện các mô phỏng và tính toán phức tạp nhằm giúp chính phủ đưa ra quyết định sáng suốt hơn về nhiều vấn đề, chẳng hạn như chính sách kinh tế và chính sách môi trường. Bên cạnh đó, máy tính lượng tử có thể được sử dụng để thực hiện đánh giá các rủi ro và tối ưu hóa danh mục đầu tư, giúp các cá nhân đưa ra các quyết định liên quan đến tài chính một cách sáng suốt hơn.
Tối ưu hoá các hoạt động trong ngành vận tải và hậu cần
Máy tính lượng tử có thể được sử dụng để tối ưu hóa việc định tuyến và lập kế hoạch cho mạng lưới vận tải, nâng cao hiệu quả quản lý chuỗi cung ứng và hậu cần đồng thời nâng cao hiệu quả và sự thuận tiện trong giao thông cho cá nhân.
Với sự có mặt của máy tính lượng tử thì mọi hoạt động trên đường phố đều được xử lý một cách chớp nhoáng, ngoài ra những cỗ máy này có thể đưa ra lộ trình di chuyển của các phương tiện giao thông trong những giờ cao điểm ở mọi điểm nóng trong thành phố hoàn toàn tự động.
Hỗ trợ việc nghiên cứu và chế tạo thuốc trong lĩnh vực dược phẩm
Máy tính lượng tử có thể được sử dụng để thực hiện các mô phỏng và tính toán phức tạp nhằm xác định các loại thuốc mới cũng như dự đoán hiệu quả và tác dụng phụ tiềm tàng của chúng. Điều này có thể đẩy nhanh đáng kể quá trình phát triển các loại thuốc, hiện được xem là một quá trình rất tốn kém.
Bên cạnh đó, máy tính lượng tử có thể được sử dụng để tối ưu hóa cấu trúc của các loại thuốc hiện có nhằm làm cho chúng hiệu quả hơn và giảm tác dụng phụ. Điều này có thể liên quan đến việc sử dụng máy tính lượng tử để thực hiện mô phỏng nhằm dự đoán các loại thuốc khác nhau sẽ tương tác như thế nào với protein và các phân tử khác trong cơ thể.
Máy tính lượng tử còn có thể được sử dụng để tối ưu hóa chuỗi cung ứng và hậu cần cho ngành dược phẩm, nâng cao hiệu quả và tiết kiệm chi phí trong quá trình sản xuất và phân phối thuốc.
Giúp cách mạng hoá trong lĩnh vực giáo dục
Máy tính lượng tử có tiềm năng cách mạng hóa trong giáo dục như sử dụng để phân tích lượng lớn dữ liệu giáo dục nhằm xác định các mô hình và điều chỉnh tài liệu học tập cho phù hợp với nhu cầu và khả năng của từng học sinh đồng thời sử dụng để thực hiện các mô phỏng phức tạp cho phép học sinh khám phá và hiểu các khái niệm phức tạp theo cách tương tác và hấp dẫn hơn.
Máy tính lượng tử cũng có thể được sử dụng trong giáo dục để thực hiện các mô phỏng và tính toán phức tạp nhằm hỗ trợ nghiên cứu và khám phá các vấn đề mới, cung cấp cho sinh viên và nhà nghiên cứu những công cụ và tài nguyên mới để tìm hiểu và khám phá các vấn đề mới nhanh hơn.
Ngoài ra, máy tính lượng tử có thể được sử dụng để tối ưu hóa việc lập kế hoạch và phân bổ nguồn lực cho các trường học, nâng cao hiệu quả của hệ thống giáo dục.
Máy tính lượng tử sẽ cách mạng hoá các lĩnh vực khác nhau như thế nào?
Lĩnh vực ngân hàng
Máy tính lượng tử có tiềm năng cách mạng hóa ngành ngân hàng như thực hiện đánh giá rủi ro phức tạp và tối ưu hóa danh mục đầu tư, giúp các tổ chức tài chính đưa ra quyết định sáng suốt hơn. Bên cạnh đó, chúng còn hỗ trợ phân tích một lượng lớn dữ liệu để xác định các mẫu và điểm bất thường để từ đó có thể chỉ ra các hoạt động gian lận.
Máy tính lượng tử còn giúp tối ưu hóa chiến lược giao dịch và giảm thời gian thực hiện giao dịch, có khả năng nâng cao hiệu quả của thị trường tài chính.
Lĩnh vực công nghệ
Máy tính lượng tử hỗ trợ thực hiện các mô phỏng và tính toán phức tạp, cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện những khám phá mới và tìm hiểu các hiện tượng phức tạp một cách nhanh chóng hơn. Điều này có thể dẫn đến sự phát triển của các công nghệ mới với tốc độ nhanh hơn. Đồng thời máy tính lượng tử cũng giúp đào tạo và chạy các thuật toán trí tuệ nhân tạo, có khả năng làm cho chúng mạnh mẽ và hiệu quả hơn.
Lĩnh vực chế tạo máy
Máy tính lượng tử có tiềm năng cách mạng hóa lĩnh vực chế tạo máy như hỗ trợ việc thiết kế các vật liệu mới có đặc tính cụ thể, chẳng hạn như tăng độ bền hoặc độ dẫn điện đồng thời tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu chất thải, nâng cao hiệu quả và tính bền vững của sản xuất.
Ứng dụng công nghiệp của máy tính lượng tử được đánh giá là vô tận. Nhà sản xuất ô tô BMW (Đức) là một ví dụ điển hình. Thông thường, thời gian tạo ra một mẫu ôtô mới mất ít nhất 4 năm, trong đó dài nhất là phần thử nghiệm. Nhưng theo Carsten Sapia, Phó Chủ tịch chiến lược, quản trị và bảo mật của BMW, việc ứng dụng máy tính lượng tử trong mô phỏng vận hành xe giúp công ty rút ngắn quá trình này xuống ít nhất 6 tháng.
Những thách thức của máy tính lượng tử là gì?
Máy tính lượng tử là một công nghệ đầy hứa hẹn với tiềm năng cách mạng hóa nhiều lĩnh vực khác nhau, nhưng cũng có một số thách thức cần vượt qua để phát huy hết tiềm năng của chúng. Dưới đây là một số thách thức chính của máy tính lượng tử:
Xây dựng và nhân rộng máy tính lượng tử
Máy tính lượng tử cực kỳ phức tạp và khó chế tạo, đồng thời việc mở rộng quy mô chúng đến mức có thể thực hiện các phép tính thực tế là một thách thức. Điều này là do các hệ lượng tử rất nhạy cảm với môi trường và có thể dễ dàng bị phá vỡ bởi các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, tiếng ồn và trường điện từ.
Phát triển thuật toán lượng tử
Mặc dù máy tính lượng tử có tiềm năng thực hiện một số phép tính nhất định nhanh hơn nhiều so với máy tính cổ điển, nhưng việc phát triển các thuật toán lượng tử để tận dụng khả năng tính toán cực nhanh của chúng là một vấn đề phức tạp. Việc nghiên cứu, phát triển các thuật toán lượng tử hiệu quả được xem là một yếu tố chính trong quá trình phát triển máy tính lượng tử.
Xử lý lỗi
Máy tính lượng tử dễ mắc lỗi do tính chất mỏng manh của hệ lượng tử. Những lỗi này có thể tích lũy theo thời gian và hạn chế độ chính xác của các phép tính lượng tử. Phát triển các phương pháp để sửa những lỗi này là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực trong điện toán lượng tử.
Xây dựng cơ sở hạ tầng lượng tử
Để tận dụng tối đa tiềm năng của máy tính lượng tử, chúng ta sẽ cần xây dựng cơ sở hạ tầng mạnh mẽ để hỗ trợ chúng. Điều này sẽ bao gồm việc phát triển các tiêu chuẩn, giao thức và công nghệ để lưu trữ, truyền tải và xử lý thông tin lượng tử.
Nhìn chung, mặc dù máy tính lượng tử có tiềm năng tác động đáng kể đến nhiều lĩnh vực khác nhau nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để phát huy hết tiềm năng của chúng.
Tương lai của máy tính lượng tử là gì?
Máy tính lượng tử có tiềm năng cách mạng hóa nhiều lĩnh vực khác nhau và có tác động sâu rộng đến xã hội. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là máy tính lượng tử vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu và có thể sẽ mất một thời gian nữa trước khi chúng được phổ biến và triển khai rộng rãi.
Lĩnh vực điện toán lượng tử đang phát triển nhanh chóng và có nhiều nỗ lực nghiên cứu tích cực tập trung vào việc xây dựng và cải tiến máy tính lượng tử. Trong thời gian tới, rất có thể máy tính lượng tử sẽ được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ chuyên biệt trong các lĩnh vực như tài chính, hóa học và khoa học vật liệu, nơi chúng có thể mang lại những lợi thế đáng kể so với máy tính cổ điển.
Máy tính lượng tử cũng giúp dự báo thời tiết và cảnh báo chính xác về các hiện tượng thời tiết cực đoan. Điều đó làm tăng khả năng cứu sống và giảm thiệt hại tài sản, dự báo các hình thái thời tiết khắc nghiệt, thảm họa trong tương lai xa, giúp mọi người có phương án ứng phó kịp thời.
Về lâu dài, máy tính lượng tử có thể trở nên phổ biến rộng rãi hơn và được sử dụng cho nhiều ứng dụng hơn. Ví dụ, chúng có thể được sử dụng để thực hiện các mô phỏng và tính toán phức tạp trong các lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe, năng lượng và giao thông vận tải. Cũng có khả năng máy tính lượng tử có thể được sử dụng để giải quyết các vấn đề hiện được coi là rất khó giải quyết đối với máy tính cổ điển.
