Máy tính lượng tử hoạt động như thế nào?

Máy tính lượng tử (còn gọi là siêu máy tính lượng tử) là một thiết bị tính toán sử dụng trực tiếp các hiệu ứng của cơ học lượng tử như tính chồng chập và vướng víu lượng tử để thực hiện các phép toán trên dữ liệu đưa vào. Máy tính lượng tử có phần cứng khác hẳn với máy tính kỹ thuật số dựa trên tranzitor. Trong khi máy tính kỹ thuật số đòi hỏi dữ liệu phải được mã hóa thành các chữ số nhị phân (bit), mà mỗi số được gán cho một trong hai trạng thái (0 và 1), tính toán lượng tử sử dụng các qubit (bit lượng tử) mà chúng có thể ở trong trạng thái chồng chập lượng tử. Một trong các mô hình lý thuyết về máy tính lượng tử là máy Turing lượng tử hay còn gọi là máy tính lượng tử phổ dụng. Máy tính lượng tử có những đặc điểm lý thuyết chung với máy tính phi tất định (non-deterministic) và máy tính xác suất (probabilistic automaton computers), với khả năng có thể đồng thời ở trong nhiều trạng thái. Lĩnh vực máy tính lượng tử được Yuri Manin nêu ra lần đầu tiên vào năm 1980 và bởi Richard Feynman năm 1982. Máy tính lượng tử sử dụng tính chất spin đại diện cho các bit lượng tử cũng được hình thành khi khái niệm không thời gian lượng tử được đưa ra vào năm 1969.

Tính đến năm 2014 tính toán lượng tử vẫn ở giai đoạn sơ khai nhưng đã có nhiều thí nghiệm nhằm thực hiện các phép tính lượng tử trên một số nhỏ các qubit.[6] Cả phương diện thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết đều đang được triển khai, và chính phủ cũng như quân đội nhiều nước đã hỗ trợ cho các hoạt động nghiên cứu máy tính lượng tử ở cả mục đích dân sự và an ninh, như phân tích mã (cryptanalysis).

Máy tính lượng tử quy mô lớn sẽ có khả năng giải được các vấn đề phức tạp một cách nhanh hơn bất kỳ một máy tính cổ điển sử dụng các thuật toán tốt nhất hiện nay, như thuật toán Shor để phân tích số tự nhiên thành tích các số nguyên tố, hoặc mô phỏng hệ lượng tử nhiều hạt. Cũng có những thuật toán lượng tử, như thuật toán Simon, cho phép máy tính hoạt động nhanh hơn bất kỳ một máy tính dựa trên thuật toán xác suất cổ điển. Tuy nhiên, khi có đủ thời gian và tài nguyên, máy tính cổ điển có thể thực hiện bất kỳ một thuật toán lượng tử. Tính toán lượng tử không vi phạm Luận đề Church–Turing.

Lượng tử và điện toán truyền thống là hai thế giới song song với một số điểm tương đồng và nhiều điểm khác biệt như việc sử dụng qubit thay vì bit. Chúng ta hãy xem xét ba trong số những sự khác biệt lớn nhất giữa máy tính lượng tử và máy tính thông thường dưới đây.

Ngôn ngữ lập trình: Máy tính lượng tử không có mã lập trình riêng vì nó yêu cầu các thuật toán rất cụ thể. Tuy nhiên, máy tính truyền thống có các ngôn ngữ được tiêu chuẩn hóa như Java, SQL và Python…
Chức năng: Máy tính lượng tử không nhằm mục đích sử dụng rộng rãi, hàng ngày, không giống như máy tính cá nhân (PC). Những siêu máy tính này phức tạp đến mức chúng chỉ có thể được sử dụng trong các lĩnh vực như khoa học và công nghệ.
Kiến ​​trúc: Máy tính lượng tử có kiến ​​trúc đơn giản hơn máy tính thông thường và chúng không có bộ nhớ hoặc bộ xử lý. Thiết bị chỉ bao gồm một tập hợp các qubit giúp nó chạy.

Điều kiện hoạt động của máy tính lượng tử là gì?

Máy tính lượng tử cực kỳ nhạy cảm và yêu cầu các điều kiện áp suất cũng như nhiệt độ và độ cách điện rất cụ thể để hoạt động chính xác. Nếu xảy ra sự tương tác với các hạt bên ngoài, máy tính có thể xuất hiện các lỗi đo lường. Đó là lý do tại sao chúng được niêm phong và phải được vận hành bằng máy tính thông thường.

Máy tính lượng tử phải hầu như không có áp suất khí quyển, nhiệt độ môi trường gần bằng không tuyệt đối (-273°C) và cách điện khỏi từ trường trái đất để ngăn các nguyên tử di chuyển, va chạm với nhau hoặc tương tác với môi trường. Ngoài ra, các hệ thống này chỉ hoạt động trong khoảng thời gian rất ngắn, do đó thông tin bị hỏng và không thể lưu trữ được khiến việc khôi phục dữ liệu khó khăn.

Công dụng của máy tính lượng tử là gì?

Bảo mật máy tính, y sinh học, tìm ra các vật liệu mới… đều là một trong những lĩnh vực có thể được cách mạng hóa nhờ những tiến bộ của công nghệ lượng tử. Đây là một số lợi ích đáng kể nhất khi sử dụng máy tính lượng tử:

Tài chính: Các công ty sẽ tối ưu hóa hơn nữa danh mục đầu tư của họ và cải thiện hệ thống mô phỏng cùng với việc phát hiện gian lận.
Chăm sóc sức khỏe: Lĩnh vực này sẽ được hưởng lợi từ việc phát triển các loại thuốc mới và các phương pháp điều trị về mặt di truyền cũng như nghiên cứu DNA.
An ninh mạng: Lập trình lượng tử liên quan đến rủi ro nhưng nó cũng có những tiến bộ trong mã hóa dữ liệu như sự xuất hiện của hệ thống Quantum Key Distribution (QKD) mới. Đây là một kỹ thuật mới để gửi thông tin nhạy cảm thông qua tín hiệu ánh sáng và phát hiện những kẻ xâm nhập vào hệ thống.
Di chuyển và vận chuyển: Các công ty như Airbus sử dụng công nghệ lượng tử để thiết kế máy bay hiệu quả hơn. Qubit cũng sẽ cho phép tạo ra những tiến bộ đáng kể trong hệ thống lập kế hoạch giao thông và tối ưu hóa tuyến đường.