Điện toán lượng tử là gì? Ứng dụng của điện toán lượng tử

Với tốc độ và sự đa dạng của máy tính ngày nay, thật khó để tưởng tượng thứ gì có thể tốt hơn thế. Nhưng chúng ta còn có điện toán lượng tử. Lĩnh vực khoa học này hướng đến việc sử dụng các quy luật của vũ trụ để đạt được những mục tiêu đáng kinh ngạc.

Vậy, điện toán lượng tử chính xác là gì, và nó sẽ ảnh hưởng như thế nào đến thế giới trong tương lai? 

Điện toán lượng tử là gì?

Điện toán lượng tử xuất hiện lần đầu tiên vào những năm 1980 bởi nhà vật lý Paul Benioff. Tại thời điểm đó, Benioff đề xuất một mô hình điện toán lượng tử của máy Turing. Sau đó, nhiều nhà nghiên cứu đã giúp phát triển lý thuyết và ứng dụng của điện toán lượng tử, bao gồm Isaac Chuang và Neil Gershenfeld.

Dạng cơ bản nhất của điện toán lượng tử là một loại máy tính dựa vào cơ học lượng tử để hoạt động. Trước đây máy tính lượng tử chỉ là một lý thuyết trên giấy nhưng giờ đây chúng đang trở thành hiện thực.

Điện toán lượng tử vẫn đang được phát triển. Đó là một lĩnh vực vô cùng phức tạp đã giúp sinh ra nhiều mô hình nguyên mẫu, chẳng hạn như máy tính lượng tử Sycamore của Google. Vào năm 2019, Google thông báo rằng Sycamore chỉ mất vài phút để giải một phép tính mà siêu máy tính mất đến 10.000 năm. Nhưng máy tính lượng tử có gì đặc biệt? Tại sao chúng có thể làm điều đó?

Khái niệm cơ bản của điện toán lượng tử

Một máy tính điển hình sử dụng các đơn vị được gọi là bit để vận hành. Một bit chỉ có một trong hai giá trị: 1 hoặc 0. Những bit này được sử dụng để viết mã nhị phân, một yếu tố vô cùng quan trọng trong thế giới máy tính.

Mặt khác, đơn vị cơ bản nhất của máy tính lượng tử là bit lượng tử (qubit). Máy tính lượng tử cần những đơn vị này để lưu trữ dữ liệu và thực hiện các chức năng. Một qubit có thể mang thông tin ở trạng thái lượng tử và có thể được tạo ra theo một số cách, chẳng hạn như thông qua vòng quay của một electron. 

Qubit cũng có thể ở bất kỳ dạng nào, chẳng hạn như photon hoặc bẫy ion (trapped ion). Đây là những hạt vô cùng nhỏ hình thành nên nền tảng của vũ trụ.

Qubit có nhiều tiềm năng. Chúng hiện đang được dùng trong máy tính lượng tử để giải các thuật toán lượng tử đa chiều và chạy các mô hình lượng tử. Điều đáng kinh ngạc về qubit là chúng có thể đồng thời tồn tại ở nhiều trạng thái. Điều này có nghĩa là chúng có thể đồng thời bằng 0, 1 hoặc bất kỳ thứ gì ở giữa. 

Nhờ tính chất này, qubit có thể cân nhắc nhiều khả năng cùng một lúc, điều này mang lại cho máy tính lượng tử khả năng thực hiện các phép tính trước khi trạng thái của một vật thể có thể đo được. Điều này cho phép nó giải quyết các vấn đề phức tạp nhanh hơn nhiều so với máy tính thông thường.

Ưu điểm của máy tính lượng tử

Ưu điểm lớn nhất của máy tính lượng tử là tốc độ thực hiện các phép tính. Công nghệ này có thể cung cấp tốc độ tính toán mà máy tính truyền thống không bao giờ có thể đạt được. Máy tính lượng tử cũng có khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp hơn nhiều so với các máy tính thông thường và có thể chạy các mô phỏng phức tạp cao.

Tuy nhiên, máy tính lượng tử không hoàn hảo. Chúng có một số nhược điểm có thể ảnh hưởng đến thành công trong tương lai.

Hạn chế của máy tính lượng tử

Bởi vì máy tính lượng tử vẫn đang trong giai đoạn nguyên mẫu (prototype), nhiều vấn đề vẫn cần được khắc phục.

Thứ nhất, máy tính lượng tử cần môi trường khắc nghiệt để hoạt động: nhiệt độ khoảng 450 độ F (232 độ C). Điều này cản trở hầu hết các công ty và công chúng truy cập vào máy tính lượng tử. Trên hết, máy tính lượng tử rất lớn so với tiêu chuẩn ngày nay. Mặc dù điều này có thể thay đổi trong tương lai, nhưng nó sẽ góp phần hạn chế khả năng tiếp cận công nghệ này với những người dùng bình thường trong giai đoạn đầu phát triển.

Máy tính lượng tử cũng vẫn đang phải có tỷ lệ lỗi quá cao. Để có thể sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, chúng cần có tỷ lệ thành công cao hơn. 

Tiếp theo, hãy cùng tìm hiểu cách công nghệ này có thể được ứng dụng trong các ngành công nghiệp. 

Ứng dụng của điện toán lượng tử

Hãy đi vào các ứng dụng của điện toán lượng tử.

1. Trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy

Với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo và học máy, chúng ta có thể cần phải chuyển dịch dần từ các máy tính tiêu chuẩn sang máy tính lượng tử, với tiềm năng to lớn của chúng trong việc xử lý các chức năng và giải quyết các phép tính một cách nhanh chóng.

2. An ninh mạng

Sử dụng điện toán lượng tử, một ngày nào đó chúng ta có thể dễ dàng phát triển các giao thức an ninh mạng cao cấp hơn có thể đối phó ngay cả những cuộc tấn công tinh vi nhất.

Điện toán lượng tử cũng có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực mật mã, cụ thể là trong một lĩnh vực được gọi là mật mã lượng tử (quantum cryptography). Lĩnh vực này sử dụng cơ học lượng tử để thực hiện các chức năng mật mã. 

3. Dược phẩm

Khả năng dự đoán kết quả các tình huống của máy tính lượng tử có thể giúp chúng trở nên hiệu quả trong việc phát triển thuốc. Một ngày nào đó, máy tính lượng tử có thể giúp dự đoán cách một số phân tử hoạt động trong một số tình huống nhất định, ví dụ như dự báo một loại thuốc sẽ hoạt động như thế nào trong cơ thể con người.

Máy tính lượng tử đưa chúng ta vào tương lai

Các khả năng mở ra bởi máy tính lượng tử không có gì đáng kinh ngạc và một ngày nào đó sẽ có thể đạt được. Mặc dù điện toán lượng tử vẫn còn ở giai đoạn đầu, nhưng những tiến bộ liên tục trong lĩnh vực này có thể đưa con người đến những kỳ tích công nghệ to lớn. Chỉ có thời gian mới trả lời được điều này!

Vân Nguyễn

Dịch từ: https://www.makeuseof.com/what-is-quantum-computing-how-does-it-change-things/