Điện toán lượng tử (Quantum computing) có thể thay đổi thế giới. Nó có thể biến đổi nền y học, phá vỡ mã hóa và cách mạng hóa thông tin liên lạc và trí tuệ nhân tạo. Các công ty như IBM, Microsoft và Google đang chạy đua để xây dựng các máy tính lượng tử đáng tin cậy. Trung Quốc đã đầu tư hàng tỷ USD vào công nghệ này.
Gần đây, Google tuyên bố rằng họ đã đạt được ưu thế lượng tử (quantum supremacy), lần đầu tiên một máy tính lượng tử vượt trội hơn một máy tính truyền thống. Nhưng điện toán lượng tử là gì? Và nó hoạt động như thế nào?
Điện toán lượng tử là gì?
Một chip máy tính thông thường sử dụng các bit. Chúng giống như các công tắc nhỏ, có thể ở vị trí tắt – được biểu thị bằng số 0 – hoặc ở vị trí bật – được biểu thị bằng số 1. Mỗi ứng dụng bạn sử dụng, trang web bạn truy cập và ảnh bạn chụp cuối cùng được tạo thành từ hàng triệu bit này trong một số kết hợp giữa số 1 và số 0.
Điều này hiệu quả với hầu hết mọi thứ, nhưng nó không phản ánh cách vũ trụ thực sự hoạt động. Về bản chất, mọi thứ không chỉ là bật hay tắt. Chúng là không chắc chắn. Và ngay cả những siêu máy tính tốt nhất cũng không giỏi đối phó với sự không chắc chắn. Đó là một vấn đề.
Trong thế kỷ qua, các nhà vật lý đã phát hiện ra khi bạn xuống một quy mô thực sự nhỏ, những điều kỳ lạ bắt đầu xảy ra. Họ đã phát triển một lĩnh vực khoa học hoàn toàn mới để thử và giải thích chúng. Nó được gọi là cơ học lượng tử.
Cơ học lượng tử là nền tảng của vật lý, làm nền tảng cho hóa học, là nền tảng của sinh học. Vì vậy, để các nhà khoa học mô phỏng chính xác bất kỳ điều gì trong số đó, họ cần một cách tính toán tốt hơn để có thể xử lý sự không chắc chắn. Và đó là sự cần thiết của máy tính lượng tử.
Ưu thế lượng tử là gì?
Máy tính lượng tử sẽ không nhanh hơn máy tính kỹ thuật số trong tất cả mọi thứ. Chúng ta biết rằng chúng sẽ nhanh trong việc xác định số lượng lớn (đây là tin xấu đối với bảo mật trực tuyến) và mô phỏng một số hệ thống vật lý như phân tử phức tạp (đây là tin tốt cho nghiên cứu y học). Nhưng trong nhiều trường hợp, chúng sẽ không có lợi thế và các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm ra chính xác loại phép tính nào mà chúng có thể tăng tốc và bao nhiêu.
Ưu thế lượng tử (quantum supremacy) là tên được đặt cho điểm giả thuyết mà tại đó một máy tính lượng tử có thể thực hiện một phép tính mà không một máy tính kỹ thuật số có thể tưởng tượng được có thể thực hiện trong một khoảng thời gian hợp lý.
Các nhà nghiên cứu của Google hiện dường như đã thực hiện một phép tính như vậy, mặc dù bản thân phép tính này thoạt nhìn đã không hấp dẫn.
Nhiệm vụ là thực hiện một chuỗi lệnh ngẫu nhiên trên máy tính lượng tử, sau đó xuất ra kết quả xem xét các qubit của nó. Đối với số lượng hướng dẫn đủ lớn, điều này trở nên rất khó bắt chước với máy tính kỹ thuật số.
Máy tính lượng tử hoạt động thế nào?
Thay vì bit, máy tính lượng tử sử dụng qubit, thường là các hạt hạ nguyên tử như electron hoặc photon. Thay vì chỉ bật hoặc tắt, qubit còn có thể có trạng thái là chồng chất (superposition) – nơi chúng bật và tắt cùng một lúc, hoặc ở đâu đó trên phổ giữa hai.
Tạo và quản lý qubit là một thách thức khoa học và kỹ thuật. Một số công ty, chẳng hạn như IBM, Google và Rigetti Computing, sử dụng các mạch siêu dẫn được làm mát bằng nhiệt độ lạnh hơn không gian sâu. Những loại khác, như IonQ, bẫy các nguyên tử riêng lẻ trong trường điện từ trên một chip silicon trong các buồng chân không siêu cao. Trong cả hai trường hợp, mục tiêu là cô lập các qubit ở trạng thái lượng tử được kiểm soát.
Lấy trường hợp một đồng xu. Nếu bạn thảy nó, mặt ngữa có thể là mặt đầu hoặc đuôi. Nhưng nếu bạn xoay nó, nó sẽ có cơ hội hạ cánh trên đầu và cơ hội hạ cánh bằng đuôi. Cho đến khi bạn dừng đồng xu, nó có thể là một trong hai. Vị trí chồng chất giống như một đồng xu quay và đó là một trong những điều khiến máy tính lượng tử trở nên mạnh mẽ. Một qubit cho phép sự không chắc chắn.
Nếu bạn yêu cầu một máy tính bình thường tìm cách thoát ra khỏi mê cung, nó sẽ lần lượt thử từng nhánh đơn lẻ, loại bỏ tất cả từng nhánh riêng lẻ cho đến khi tìm được nhánh phù hợp. Một máy tính lượng tử có thể đi xuống mọi con đường của mê cung cùng một lúc. Nó có thể chứa đựng sự không chắc chắn trong đầu.
Nó giống như giữ một ngón tay trong các trang của một cuốn sách phiêu lưu của bạn. Nếu nhân vật của bạn chết, bạn có thể chọn ngay một con đường khác, thay vì phải quay lại đầu sách.
Điều khác mà qubit có thể làm được gọi là sự vướng víu hay rối rắm (entanglement). Thông thường, nếu bạn tung hai đồng xu, kết quả của một đồng xu tung không liên quan đến kết quả của đồng xu còn lại. Chúng độc lập. Trong sự vướng víu, hai thành phần được liên kết với nhau, ngay cả khi chúng tách biệt về mặt vật lý. Nếu một đồng xu là mặt đầu, đồng xu kia cũng sẽ là mặt đầu.
Nghe có vẻ giống như ma thuật và các nhà vật lý vẫn chưa hiểu đầy đủ về cách thức hoặc lý do nó hoạt động. Nhưng trong lĩnh vực điện toán lượng tử, điều đó có nghĩa là bạn có thể di chuyển thông tin xung quanh, ngay cả khi nó chứa đựng sự không chắc chắn. Bạn có thể lấy đồng xu quay đó và sử dụng nó để thực hiện các phép tính phức tạp. Và nếu bạn có thể xâu chuỗi nhiều qubit lại với nhau, bạn có thể giải quyết các vấn đề mà máy tính tốt nhất của chúng ta phải mất hàng triệu năm mới giải quyết được.
Các máy tính lượng tử có thể làm gì?
Máy tính lượng tử không chỉ làm mọi thứ nhanh hơn hoặc hiệu quả hơn. Chúng sẽ cho phép chúng ta làm những điều mà chúng ta thậm chí không thể mơ ước nếu không có chúng. Những thứ mà ngay cả siêu máy tính tốt nhất cũng không thể làm được.
Chúng có tiềm năng thúc đẩy nhanh chóng sự phát triển của trí tuệ nhân tạo. Google đã sử dụng chúng để cải thiện phần mềm của xe hơi tự lái. Chúng cũng sẽ rất quan trọng để tạo mô hình phản ứng hóa học.
Hiện tại, siêu máy tính chỉ có thể phân tích những phân tử cơ bản nhất. Nhưng máy tính lượng tử hoạt động bằng cách sử dụng các thuộc tính lượng tử giống như các phân tử mà chúng đang cố gắng mô phỏng. Họ sẽ không gặp vấn đề gì khi xử lý ngay cả những phản ứng phức tạp nhất.
Điều đó có thể có nghĩa là các sản phẩm hiệu quả hơn – từ vật liệu mới cho pin trong ô tô điện, đến thuốc tốt hơn và rẻ hơn, hoặc các tấm pin mặt trời được cải tiến đáng kể. Các nhà khoa học hy vọng rằng mô phỏng lượng tử thậm chí có thể giúp tìm ra phương pháp chữa trị bệnh Alzheimer.
Máy tính lượng tử sẽ được sử dụng ở bất kỳ nơi nào có một hệ thống phức tạp lớn, không chắc chắn cần được mô phỏng. Đó có thể là bất cứ điều gì, từ dự đoán thị trường tài chính, cải thiện dự báo thời tiết, đến mô hình hóa hành vi của các electron riêng lẻ: sử dụng điện toán lượng tử để hiểu vật lý lượng tử.
Mật mã học sẽ là một ứng dụng quan trọng khác. Hiện tại, rất nhiều hệ thống mã hóa dựa vào khó khăn trong việc chia nhỏ các số lớn thành các số nguyên tố. Đây được gọi là bao thanh toán (factoring) và đối với máy tính cổ điển, nó chậm, đắt tiền và không thực tế. Nhưng máy tính lượng tử có thể làm điều đó một cách dễ dàng. Và điều đó có thể khiến dữ liệu của chúng ta gặp rủi ro.
Có tin đồn rằng các cơ quan tình báo trên khắp thế giới đã thu thập một lượng lớn dữ liệu được mã hóa với hy vọng rằng họ sẽ sớm có quyền truy cập vào một máy tính lượng tử có thể bẻ khóa nó. Cách duy nhất để chống lại là mã hóa lượng tử. Điều này dựa trên nguyên tắc không chắc chắn – ý tưởng rằng bạn không thể đo lường điều gì đó mà không ảnh hưởng đến kết quả. Không thể sao chép hoặc tấn công các khóa mã hóa lượng tử. Chúng sẽ hoàn toàn không thể phá vỡ.
Máy tính lượng tử đã thực sự sẵn sàng?
Có thể bạn sẽ không bao giờ có chip lượng tử trong máy tính xách tay hoặc điện thoại thông minh của mình. Sẽ không có iPhone Q. Máy tính lượng tử đã được đưa ra lý thuyết trong nhiều thập kỷ, nhưng lý do khiến chúng phải mất quá nhiều thời gian để xuất hiện là chúng cực kỳ nhạy cảm với nhiễu.
Hầu hết mọi thứ đều có thể đánh bật qubit ra khỏi trạng thái chồng chất mỏng manh. Do đó, các máy tính lượng tử phải được giữ cô lập khỏi tất cả các dạng nhiễu điện, và được làm lạnh xuống gần bằng không tuyệt đối. Điều đó lạnh hơn ngoài không gian.
Chúng chủ yếu sẽ được sử dụng bởi các học giả và doanh nghiệp, những người có thể sẽ truy cập chúng từ xa. Hiện đã có thể sử dụng máy tính lượng tử của IBM qua trang web của hãng – bạn thậm chí có thể chơi một trò chơi bài với nó.
Nhưng chúng ta vẫn còn một thời gian để chờ đợi trước khi máy tính lượng tử có thể làm được tất cả những điều mà chúng hứa hẹn. Hiện tại, các máy tính lượng tử tốt nhất có khoảng 50 qubit. Điều đó đủ để làm cho chúng trở nên cực kỳ mạnh mẽ, bởi vì mỗi qubit bạn thêm vào có nghĩa là khả năng xử lý tăng theo cấp số nhân. Nhưng chúng cũng có tỷ lệ lỗi thực sự cao (quantum error rate).
Máy tính lượng tử mạnh mẽ, nhưng không đáng tin cậy. Điều đó có nghĩa là hiện tại, những tuyên bố về ưu thế lượng tử phải cẩn trọng. Vào tháng 10 năm 2019, Google đã có bài báo cho thấy họ đã đạt được ưu thế lượng tử – điểm mà máy tính lượng tử có thể vượt trội hơn một máy tính cổ điển. Nhưng các đối thủ của họ đã phản đối tuyên bố này – IBM cho biết Google đã không khai thác hết sức mạnh của các siêu máy tính hiện đại.
Hầu hết các đột phá lớn cho đến nay đều nằm trong các cài đặt được kiểm soát hoặc sử dụng các vấn đề mà chúng ta đã biết câu trả lời. Trong mọi trường hợp, đạt đến ưu thế lượng tử không có nghĩa là máy tính lượng tử thực sự sẵn sàng làm bất cứ điều gì hữu ích.
Các nhà nghiên cứu đã đạt được nhiều tiến bộ trong việc phát triển các thuật toán mà máy tính lượng tử sẽ sử dụng. Nhưng bản thân các thiết bị vẫn cần nhiều công việc hơn. Điện toán lượng tử có thể thay đổi thế giới – nhưng hiện tại, tương lai của nó vẫn chưa chắc chắn.
Bài viết có sự tham khảo các tài liệu sau:
https://www.wired.co.uk/article/quantum-computing-explained
https://theconversation.com/why-are-scientists-so-excited-about-a-recently-claimed-quantum-computing-milestone-124082
https://www.technologyreview.com/2019/01/29/66141/what-is-quantum-computing/
https://www.quantamagazine.org/the-era-of-quantum-computing-is-here-outlook-cloudy-20180124/
