Máy tính lượng tử – Một bước đi vĩ đại mang tính cách mạng hay một tầm nhìn sai lầm của nhân loại?

Máy tính lượng tử – Một bước đi vĩ đại mang tính cách mạng hay một tầm nhìn sai lầm của nhân loại?

Cuộc chạy đua công nghệ về máy tính lượng tử đang ngày càng nóng lên khi các quốc gia phát triển hàng đầu thế giới công bố những tiến bộ của họ về lĩnh vực này. Trong đó sự so kè của Mỹ và Trung là gay gắt nhất, khi ai cũng muốn trở thành quốc gia phát triển chiếc máy tính mạnh nhất thế giới, vậy rốt cuộc máy tính lượng tử là gì lại có thể khiến các cường quốc cùng chạy đua?

CEO của tập đoàn Microsoft, từng nói tại hội nghị Microsoft Ignite rằng: Máy tính lượng tử là một trong ba công nghệ có thể thay đổi thế giới một cách sâu sắc. Hai thứ còn lại là trí tuệ nhân tạo (AI) và tương tác thực tế ảo (VR).

Sự phát triển của công nghệ nhanh đến nỗi những bóng bán dẫn của máy tính đã sắp không thể thu nhỏ được nữa và các công ty đang nghiên cứu để tìm ra một vật liệu mới thay thế silicon. Nhiều ứng dụng ra đời tạo nên một thế giới số rộng lớn, kèm theo đó là những yêu cầu khắt khe hơn nhiều về việc một máy tính có thể dự đoán được thị trường hay tương lai gần.

Máy tính lượng tử có phải là một máy tính cao cấp?

Máy tính cổ điển (Classical Computer) hay là chiếc máy tính mà chúng ta vẫn đang dùng hằng ngày. Chúng ta sẽ thường xuyên đưa vào nó những dữ liệu với ngôn ngữ của con người là các chữ, số, hình vẽ… Nhưng với máy tính những dữ liệu đó khi đưa vào sẽ được hiểu theo theo ngôn ngữ máy, ngôn ngữ đó được diễn tả với các số theo hệ nhị phân (hệ thống đếm dựa trên các số 0 và 1). Thế nên, với một ngôn ngữ chỉ chứa 0 và 1 thì máy tính chỉ thực hiện được khi có các lập trình cụ thể và tính toán chính xác theo những chỉ dẫn đó.

Máy tính lượng tử (Quantum Computing) không hoạt động theo ngôn ngữ máy tính thông thường, nghĩa là nó không chỉ dùng hệ đếm thập phân 0 và 1 để thực hiện tác vụ. Chiếc máy này hoạt động dựa trên các hiệu ứng của cơ học lượng tử, đó là lý do nó được gọi thêm 2 từ lượng tử. Trong cơ học lượng tử, có 2 trạng thái quan trọng được ứng dụng để thực hiện các phép tính là sự chồng chập và vướng víu của lượng tử .

Máy tính lượng tử IBM Q

Máy tính được đo bằng số lượng bit (binary digit), đơn vị đo nhỏ nhất của máy tính và có 2 giá là 0 hoặc 1, nếu số lượng bit càng lớn thì máy tính sẽ có khả năng chứa càng nhiều. Trong khi đó, máy tính lượng tử sử dụng đơn vị là “Qubits” (quantum bits, hay bits lượng tử) sẽ nhận các giá trị rộng hơn nằm trong khoảng từ 0 tới 1, thậm chí nhận được cùng lúc giá trị 0 và 1.

Một ví dụ đơn giản để hình dung cách tính toán của máy tính và máy tính lượng tử, ví dụ đó được gọi là “Tìm đường ra khỏi mê cung.”

Với những máy tính cơ bản phép tính đơn giản của nó là sẽ tìm kiếm từng con đường một, sau khi đi qua tất cả các con đường nó sẽ bắt đầu sắp xếp lại, và cho ra kết quả đâu là con đường tốt nhất để ra khỏi mê cung. Nghĩa là nó phải đi qua mọi câu trả lời rồi mới đưa ra một kết quả cuối cùng.

Đối với máy tính lượng tử, khi duyệt nó sẽ xem xét hết mọi con đường sẽ được cùng một lúc, quan trọng ở chỗ nó không cần phải đi qua từng con đường một, như vậy sẽ không mất nhiều thời gian để chỉ ra con đường tốt nhất. Điều đó giống như việc biết trước và đưa ra dự đoán ngay lập tức. Nhanh hơn nhiều so với cách thực hiện của máy tính cơ bản đúng không?

Lý do cho việc chiếc máy này có thể xử lý theo cách như vậy là vì nó hoạt động theo cơ chế lượng tử, theo cơ chế đó các hạt photon sẽ tồn tại ở trạng thái chồng chập lượng tử. Trạng thái này này giúp nó có thể đi tất cả các con đường cùng một lúc mỗi con đường sẽ có sự giao thoa trong trạng thái này, cho đến khi sự chồng chập đó sụp đổ nó sẽ để lộ ra điểm giao thoa, điểm đó là con đường mà máy tính cần tính toán.

Máy tình lượng tử về cơ bản là khác hoạt động so với máy tính. Ta có thể coi đây là một máy tính, nhưng nó không chỉ cao cấp hơn mà là một sự tiến hóa về cả cơ chế hoạt động và cách vận hành.

Cấu trúc của một máy tính lượng tử

Ngoài việc khác nhau về cách vận hành thì máy tính lượng tử còn khác về cả ngoại hình. Nếu bạn từng xem phim Ant-man and Wasp (2018), bạn sẽ thấy đường hầm lượng tử có hình dạng bên ngoài là một chiếc xe cùng một cái vòng xoáy bên trong, vậy còn ngoài đời thật nó sẽ như thế nào?

Để nói sơ qua về nó thì phần bên ngoài của máy tính lượng tử có hình dạng giống như một cây đèn chùm khổng lồ. Các chuyên gia thì lại gọi cùng một cái tên là kiến trúc đèn chùm. Cấu trúc máy tính lượng tử dựa trên máy tính nhưng nó sẽ khác về khả năng di chuyển của các Qubit.

Bảng mạch sắp xếp 62 Qubit

Máy tính lượng tử sẽ sẽ bao gồm một nhân trung tâm là một siêu chip lượng tử, xung quanh siêu chip này sẽ đặt các Qubit và sắp xếp theo dạng một bàn cờ. Nhiệm vụ của máy tính lượng tử là thực hiện các tác vụ phức tạp có chứa những biến đỗi ngẫu nhiên nên việc thiết kế các Qubit cũng rất đặc biệt. Các Qubit phải đáp ứng được khả năng di chuyển tự do trên mạch dưới dạng một bàn cờ.

Để làm được việc đó, các nhà khoa học đã cho các Qubit ở trong một môi trường với hình dạng giống như một cái tủ lạnh, các nhà khoa học để vào trong đó một hỗn hợp gọi là helium hóa lỏng đặc biệt. Tác dụng của chất này là làm mát các chip lượng tử, và đưa chúng về độ không tuyệt đối, đó là một môi trường được cho là có nhiệt độ lạnh nhất.

Phép tính Random Circuit Sampling

Phép tính Random Circuit Sampling hay còn gọi là phép tính lấy mẫu ngẫu nhiên, một phép tính dùng cho việc tạo ra một mạch ngẫu nhiên có hiệu quả. Phép tính phức tạp này được dùng để đo khả năng tính toán của các máy tính lượng tử. Cũng là để chứng minh máy tính lượng tử sẽ là một cỗ máy tạo nên những cuộc cách mạng vô tiền khoáng hậu trong tương lai.

Một siêu máy tính được định nghĩa là là một máy tính hiệu năng vượt trội so với những máy tính bình thường. Siêu máy tính nhanh nhất vào thời điểm đó là có tên là SUMMIT. Khi thực hiện phép tính thì SUMMIT được cho là phải mất đến 10,000 năm để hoàn thành Ramdom Circuit Sampling.

Đến lượt máy tính lương tử của Google có tên Sycamore thực hiện thì kết quả thật sự quá áp đảo, Sycamore chỉ mất 3 phút và 20 giây. Sau khi phép tính đó được thực hiện, Google liền trở thành công ty có được ưu thế cực lớn về lượng tử. Phép tính này cũng chứng minh “Sycamore” cỗ máy đại diện cho máy tính lượng tử có khả năng xử lý vượt trội hơn một Siêu máy tính.

Ta thấy được rằng máy tính lượng tử có thể xử lí nhanh hơn rất nhiều và có thể tiết kiệm năng lương lên đến 10 triệu lần. Kết quả tuy chưa chính thức được xác nhân nhưng đó lại là một cột mốc quan trọng để đánh dấu sự phát triển của công nghệ trong tương lai.

Cuộc chạy đua máy tính lượng tử

Google, Microsoft, IBM và những công ty công nghệ khác đã đầu tư nhiều nguồn lực vào lĩnh vực này trong cuộc đua trở thành người đầu tiên đưa năng lực tính toán lượng tử vào thị trường đại chúng.

Cuộc chạy đua xây dựng các máy tính lượng tử chẳng khác nào một cuộc “chạy đua vũ trang”, bất kì ai hay quốc gia nào tạo ra được máy tính lượng tử, đều có thể nắm bắt rất nhiều lợi thế. Mình nghĩ điều đó rất đáng để suy nghĩ, vì ngay cả việc biết trước tương lai của ngày mai đã là một bước đi vĩ đại rồi.

Theo Valuenex, Trung Quốc đang nắm giữ hơn 3.000 bằng sáng chế liên quan đến công nghệ lượng tử, nhiều gấp đôi so với Mỹ và gấp 3 lần Nhật. Boston Consulting Group dự báo vào 7/2021, công nghệ này có thể tạo ra giá trị tương đương 10 tỉ USD hằng năm vào năm 2030 và tăng lên mức 850 tỉ USD vào khoảng năm 2040.

Những ứng dụng của máy tính lượng tử

Có khá nhiều ứng dụng được mọi người nghĩ ra để thể đưa máy tính lượng tử vào đại chúng. Và tất nhiên, đa số chúng đều rất vĩ mô như việc hỗ trợ dự báo thời tiết, dự báo thị trường, phân tích quỹ đạo của tàu vũ trụ,…

Một điều mình nghĩ đến là nếu máy tính lượng tử có thể trở thành một AI thì khả năng học hỏi của AI này sẽ rất nhanh, và rất thông minh. Một vài kỹ thuật và ứng dụng thực tiễn mà mình tìm kiếm được như là:

Vào năm 2015, các nhà nghiên cứu  tại Viện Ung thư Roswell Park đã đưa ra một kỹ thuật giúp cho việc tối ưu hóa xạ trị nhanh hơn từ 3 – 4 lần nhờ vào máy tính lượng tử. Kỹ thuật này giúp cho việc chuẩn đoán chính xác hơn so với những máy tính cơ bản đang được dùng như hiện nay.

Ngoài ra, bởi khả năng tính toán siêu việt có phần bá đạo mà máy tính lượng tử có thể phá được cả các hệ thống mật mã như RSA hay DSA, đây đều là những mật mã hóa khóa công khai, dùng cho việc tạo ra các chữ ký số được mã hóa, độ dài của các khóa này thường rất lớn nên việc tự mò mẫm và đưa ra mật mã được mã hóa dường như là không thể. Tuy vậy, với máy tính lượng tử nhờ vào việc có thể phá mã dựa trên trạng thái chồng chập sẽ phá mã nhanh hơn nhiều so với những máy tính bình thường.

Việc đi lại hằng ngày sẽ thuận tiện hơn khi mà mỗi lúc bạn muốn đi đâu đó bạn có thể được nó dự đoán và đưa ra một lối đi không chỉ nhanh nhất, giúp bạn tránh được những đoạn đường kẹt xe đến hàng giờ, mà còn dự báo được thời tiết của nơi bạn sắp tới và nơi sẽ đi qua. Thậm chí nếu chúng ta đủ khả năng nắm giữ máy tính lượng tử thì nó có thể điều tiết luồn giao thông thay con người, mọi thứ sẽ được tính toán ngay lập tức và đề xuất các tuyến đường thay thế tốt hơn.

Rất nhiều ứng dụng tương lại được nghĩ ra và nó khả thi về mặt lý thuyết, nhưng để có thể biến lý thuyết trở thành thực tế là cả một đoạn đường dài, mình cũng hi vọng một ngày nào đó máy tính lượng tử có thể hỗ trợ y học và phát triển khả năng chữa bệnh nhiều hơn, đến ngày đó chúng ta có thể không còn bị ám ảnh bởi căn bệnh ung thư nữa.

Tạm kết

Những gì mình tìm hiểu được về máy tính lượng tử rất nhiều nhưng mình chỉ có thể tóm tắt đến đây bởi thế giới lượng tử rất bí ẩn và phức tạp. Lúc đầu mình nghe về trạng thái sự chồng chập thì mình đã muốn bỏ ngang không muốn tìm hiểu thêm, nhưng với những công nghệ đang ngày càng phức tạp, mình nghĩ chúng ta nên dấn thân để có thể hiểu thêm về thế giới công nghệ.

Dù máy tính lượng tử vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, hoàn thiện, nhưng có thể thấy được tiềm năng thay đổi cuộc chơi của nó, thúc đẩy tiến bộ trong vật lý, toán học, y học và nhiều lĩnh vực khác. Trong cuộc chạy đua đó, mình hi vọng Việt Nam có thể có một bước tiến dài ở lĩnh vực này, bởi những cường quốc thế giới đề đang sỡ hữu những chiếc máy của riêng họ. Mặc dù chưa có khả năng tạo ra một chiếc máy như thế, nhưng mình tin những nhà khoa học của Việt Nam cùng với các công trình nghiên cứu chuyên sâu có thể giúp chúng ta không bị thụt lùi so với các cường quốc như Mỹ hay Trung.

Cùng mình chờ đợi những tiến bộ công nghệ sắp tới nhé!

Mời bạn tham gia group Facebook của Sforum.vn cùng nhau trao đổi, thảo luận các thông tin hot về thị trường công nghệ Việt Nam, tham gia ngay tại: Sforum – Sunsee Tech.

Via: IBM