Cách đây không lâu, những hạn chế của máy tính cổ điển đã thúc đẩy các nhà khoa học phát triển một loại máy tính mới – máy tính lượng tử. Máy tính lượng tử sử dụng qubit thay vì bit cổ điển và có thể thực hiện một số phép tính nhanh hơn nhiều so với máy tính cổ điển. Lợi thế này có khả năng biến đổi nhiều lĩnh vực và làm cho cuộc sống của chúng ta tốt đẹp hơn. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về điện toán lượng tử, bao gồm các ngành và lĩnh vực có thể được cách mạng hóa nhờ điện toán lượng tử. Chúng ta cũng sẽ thảo luận về những thách thức và rủi ro liên quan đến công nghệ này, cũng như tương lai của nó.
Bên trong hệ thống máy tính lượng tử của IBM. (Tín dụng: IBM
)
Máy tính lượng tử là gì?
Máy tính đã đi được một chặng đường dài kể từ khi lý thuyết lượng tử được phát triển vào những năm 1920 và chiếc máy tính lập trình đầu tiên, Bộ tích hợp số điện tử và máy tính ( ENIAC
), được chế tạo vào năm 1945. Chiếc máy này là chiếc máy tính "tự động, đa năng, điện tử" đầu tiên. số thập phân, máy tính kỹ thuật số,” theo cuốn sách “Những cột mốc quan trọng trong Khoa học Máy tính và Công nghệ Thông tin” của Edwin D. Reilly. Chính xác thì điện toán lượng tử là gì? Tóm lại, đó là một công nghệ đang phát triển nhanh chóng, khai thác các định luật cơ học lượng tử để giải quyết các vấn đề phức tạp theo cách hiệu quả và mạnh mẽ hơn so với máy tính cổ điển. Đối với một số vấn đề, siêu máy tính không phải là siêu máy tính. Về cốt lõi, điện toán lượng tử dựa vào việc sử dụng bit lượng tử (qubit) để xử lý và thao tác thông tin. Không giống như các bit cổ điển chỉ có thể tồn tại ở một trong hai trạng thái (0 hoặc 1), qubit có thể tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái do hiện tượng chồng chất. Điều này cho phép máy tính lượng tử thực hiện nhiều phép tính cùng một lúc. Một nguyên tắc quan trọng khác của điện toán lượng tử là sự vướng víu , cho phép các qubit trở nên tương quan theo cách mà trạng thái của một qubit có thể ảnh hưởng ngay lập tức đến trạng thái của một qubit khác, ngay cả khi chúng bị tách biệt về mặt vật lý. Điều này cho phép máy tính lượng tử thực hiện một số tác vụ nhanh hơn nhiều so với siêu máy tính – tính toán số lượng lớn, tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu lớn, v.v.
Máy tính lượng tử hoạt động như thế nào?
Như vừa đề cập, máy tính lượng tử sử dụng qubit thay vì bit để chạy thuật toán lượng tử đa chiều. Qubit được tạo ra bằng cách sử dụng chất siêu dẫn, thể hiện các hiệu ứng cơ học lượng tử như cặp Cooper có thể mang điện tích qua chất cách điện thông qua đường hầm lượng tử. Hoạt động của qubit có thể được kiểm soát và điều khiển bằng cách bắn các photon vi sóng vào chúng. Qubit có thể được đặt ở trạng thái chồng chất, thể hiện sự kết hợp của tất cả các cấu hình có thể có của qubit. Các nhóm qubit ở trạng thái chồng chất có thể tạo ra các không gian tính toán phức tạp có thể biểu diễn các vấn đề phức tạp theo những cách mới. Máy tính lượng tử nhỏ hơn và cần ít năng lượng hơn siêu máy tính nhưng cần rất lạnh, điều này đạt được bằng cách sử dụng chất siêu lỏng siêu lạnh.
Điện toán lượng tử là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng và sẽ cách mạng hóa cách giải quyết các vấn đề phức tạp. Một số công ty, bao gồm IBM, Google và Rigetti, đã chế tạo và sử dụng máy tính lượng tử. Những máy tính này có kích thước từ vài qubit đến hơn 100 qubit và mỗi máy tính có kiến trúc cũng như bộ khả năng riêng.
Năm 2017, Rigetti đã công bố phiên bản beta công khai của Forest 1.0, môi trường lập trình full-stack đầu tiên trên thế giới dành cho điện toán lượng tử.
Sycamore
của Google là bộ xử lý lượng tử có 53 qubit. Nó được phát triển vào năm 2019 và được tuyên bố sẽ hoàn thành một nhiệm vụ trong 200 giây, điều này đòi hỏi một siêu máy tính cao cấp phải mất 10.000 năm mới hoàn thành.
Hệ thống lượng tử IBM Một
máy tính lượng tử cũng được IBM giới thiệu vào năm 2019. Nó chứa bộ xử lý lượng tử transmon 20 qubit được đặt trong hệ thống máy tính 2,7x2,7x2,7 mét. Điều thú vị là IBM đã công bố bộ xử lý 'Osprey' 433 qubit mới tại Hội nghị thượng đỉnh lượng tử IBM 2022.
“Bộ xử lý 'Osprey' 433 qubit mới đưa chúng ta tiến một bước gần hơn tới điểm mà máy tính lượng tử sẽ được sử dụng để giải quyết các vấn đề nan giải trước đây,” – Tiến sĩ Darío Gil, Phó Chủ tịch Cấp cao, IBM và Giám đốc Nghiên cứu. Ngoài sự phát triển về phần cứng, các công cụ phần mềm dành cho điện toán lượng tử cũng đang phát triển. Các ngôn ngữ lập trình như Q# và Qiskit cho phép các nhà phát triển viết chương trình lượng tử và chạy chúng trên phần cứng hoặc trình mô phỏng lượng tử. Tuy nhiên, điện toán lượng tử vẫn phải đối mặt với một số thách thức và hạn chế. Cái chính là sửa lỗi . Khi một chương trình lượng tử chạy, các lỗi sẽ nhanh chóng tích tụ, đặt ra thách thức cho các nhà khoa học. Vì vậy, việc phát triển các phương pháp sửa lỗi hiệu quả là rất quan trọng để xây dựng các máy tính lượng tử quy mô lớn và đáng tin cậy. Một hạn chế đáng kể khác là khả năng mở rộng . Trong khi các máy tính lượng tử với hàng chục hoặc hàng trăm qubit đã tồn tại thì việc xây dựng một máy tính lượng tử quy mô lớn với hàng nghìn hoặc hàng triệu qubit vẫn là một thách thức. Tuy nhiên, có sự lạc quan rằng những thách thức này sẽ được khắc phục trong những năm tới, mở đường cho việc áp dụng rộng rãi hơn điện toán lượng tử. Các hệ thống Lượng tử của IBM hứa hẹn sẽ mở rộng quy mô lên tới hơn 4.000 qubit vào năm 2025 và hơn thế nữa.
Máy tính lượng tử đang thay đổi thế giới như thế nào? Ứng dụng thực tế
Như vừa nói, đã có một số trường hợp sử dụng trong các ngành khác nhau mà điện toán lượng tử đang cho thấy những kết quả đáng kinh ngạc.
Chăm sóc sức khỏe
Một trong những lĩnh vực hứa hẹn nhất là chăm sóc sức khỏe. Máy tính lượng tử có thể mô phỏng hành vi của các phân tử và vật liệu chính xác hơn máy tính cổ điển, điều này có thể đẩy nhanh việc phát hiện ra các loại thuốc và phương pháp điều trị bệnh mới. Ví dụ, các thuật toán lượng tử như Bộ giải riêng lượng tử biến thiên (VQE) có thể được sử dụng để tính toán cấu trúc điện tử của các phân tử chính xác hơn các phương pháp cổ điển. Ngoài ra, điện toán lượng tử có thể được sử dụng để phân tích các tập dữ liệu lớn từ hồ sơ y tế và thử nghiệm lâm sàng nhằm xác định các mục tiêu mới cho việc khám phá thuốc. Một ví dụ khác về cách sử dụng điện toán lượng tử trong chăm sóc sức khỏe là thông qua sàng lọc ảo các ứng cử viên ma túy. Điều này liên quan đến việc tìm kiếm cơ sở dữ liệu lớn về các loại thuốc tiềm năng để xác định những loại thuốc có đặc tính mong muốn. Điện toán lượng tử có thể đẩy nhanh quá trình này bằng cách tìm kiếm hiệu quả thông qua lượng dữ liệu khổng lồ, dẫn đến việc phát hiện và phát triển thuốc nhanh hơn.
Tài chính
Một ứng dụng quan trọng khác của điện toán lượng tử có thể nằm ở việc tối ưu hóa các vấn đề, chẳng hạn như những vấn đề gặp phải trong lĩnh vực tài chính. Điện toán lượng tử có thể được sử dụng để cải thiện mô hình tài chính và quản lý rủi ro. Ví dụ: thuật toán lượng tử có thể được sử dụng để phân tích nhanh các tập dữ liệu lớn và đưa ra dự đoán về xu hướng thị trường. Ngoài ra, mật mã lượng tử có thể được sử dụng để bảo đảm các giao dịch tài chính và bảo vệ khỏi mối đe dọa mạng. Phân phối khóa lượng tử (QKD) là một kỹ thuật sử dụng các nguyên tắc cơ học lượng tử để truyền khóa mã hóa một cách an toàn giữa hai bên. QKD khai thác sức mạnh của các qubit vướng víu để tạo ra một khóa không thể đánh chặn nếu không bị phát hiện.
hậu cần
Điện toán lượng tử có thể được sử dụng để tối ưu hóa việc quản lý chuỗi cung ứng, giảm chi phí vận chuyển và cải thiện thời gian giao hàng. Ví dụ, thuật toán lượng tử có thể được sử dụng để phân tích nhanh chóng các tuyến đường vận chuyển và phân phối hiệu quả nhất. Ngoài ra, điện toán lượng tử có thể được sử dụng để giải quyết các vấn đề lập kế hoạch phức tạp, chẳng hạn như những vấn đề gặp phải trong lập kế hoạch hàng không và đường sắt.
Năng lượng
Thuật toán lượng tử có thể được sử dụng để mô phỏng hành vi của vật liệu được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ năng lượng, giúp phát triển các loại pin hiệu quả hơn. Ngoài ra, điện toán lượng tử có thể được sử dụng để tối ưu hóa việc sản xuất năng lượng bằng cách phân tích các kiểu thời tiết và dự đoán nhu cầu năng lượng.
Chế tạo
Vì điện toán lượng tử có khả năng phân tích các tập dữ liệu lớn và dự đoán lịch trình sản xuất tối ưu nên nó cũng có thể được sử dụng rất nhiều trong sản xuất. Như bạn thấy, các ứng dụng tiềm năng của điện toán lượng tử là rất lớn và có nhiều ngành công nghiệp có thể được chuyển đổi nhờ công nghệ này.
“Nỗi lo” về tương lai
Từ tất cả những điều này, thật dễ dàng để kết luận rằng tác động của điện toán lượng tử đối với xã hội là rất đáng kể. Và cũng giống như bất kỳ công nghệ mang tính cách mạng nào khác, có một số rủi ro liên quan đến điện toán lượng tử. Một trong những thách thức quan trọng nhất là ý nghĩa đạo đức và xã hội của công nghệ. Điện toán lượng tử có khả năng phá vỡ nhiều phương thức mã hóa được sử dụng để bảo mật dữ liệu nhạy cảm, điều này có thể dẫn đến vi phạm quyền riêng tư và các mối lo ngại bảo mật khác. Ngoài ra, điện toán lượng tử có thể được sử dụng để phát triển vũ khí và công nghệ mới có thể gây ra mối đe dọa cho an ninh toàn cầu.
Bản tóm tắt
Trong khi điện toán lượng tử đặt ra một số thách thức và rủi ro, nhiều tổ chức đang tích cực nỗ lực giải quyết chúng bằng cách phát triển các phương pháp mã hóa mới, cải tiến phần cứng và phần mềm lượng tử cũng như cung cấp các cơ hội đào tạo và giáo dục. Vì vậy, chúng tôi tin rằng điện toán lượng tử sẽ cách mạng hóa thế giới theo hướng tốt đẹp. Bằng cách phát triển các công nghệ lượng tử mạnh mẽ và đáng tin cậy, chúng ta có thể khai thác toàn bộ tiềm năng của điện toán lượng tử và tạo ra một tương lai tươi sáng hơn cho toàn bộ điện toán và xã hội. Đã đến lúc phải hành động, vì vậy hãy tiếp tục khám phá thế giới công nghệ cùng CodeGym!
GO TO FULL VERSION