Vậy công nghệ lượng tử là gì và máy tính lượng tử hoạt động như thế nào, hãy cùng mình tìm hiểu. Thật ra bí mật về sức mạnh của máy tính lượng tử nằm ở khả năng tạo ra và thao tác các bit lượng tử hay còn gọi là qubit, khác với thao tác bit thông thường mà chúng ta sử dụng rộng rãi trong thế kỷ 21 hiện nay (Bit 1, Bit 0)
QuBit là gì
Máy tính ngày nay sử dụng các Bit — một dòng xung điện hoặc quang để biểu thị 1 (Có dòng điện đi qua) hoặc 0 (Không có dòng điện đi qua). Mọi thứ từ tweet, facebook, email cho đến các bài hát trên iTunes, game LOL bạn hay chơi và video trên YouTube về cơ bản là các chuỗi dài của các chữ số nhị phân (0 và 1) này.
Mặt khác, máy tính lượng tử sử dụng QuBit, thường là các hạt hạ nguyên tử như electron hoặc photon, chính vì thế 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 tuyệt đối để lưu trữ các QuBit. Còn một loại khác, như IonQ, họ sẽ 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 chính vẫn là cô lập các QuBit ở trạng thái lượng tử được kiểm soát.
Ngoài ra QuBit có một số thuộc tính lượng tử kỳ quặc. Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu ở phần dưới nhé
Tính chất đặc biệt của QuBit
Superposition
QuBit có thể đại diện cho nhiều kết hợp có thể có của 1 và 0 cùng một lúc trong khi Bit thì tại một thời điểm nhất định, nó chỉ có thể biểu thị là 1 hoặc 0. Khả năng đồng thời ở nhiều trạng thái này được gọi là Superposition. Để các QuBit có được tính chất này, các nhà nghiên cứu phải thao tác chúng bằng cách sử dụng tia laser hoặc chùm vi sóng.
Nhờ tính chất này, một máy tính lượng tử với chỉ một số lượng nhỏ QuBit xếp chồng lên nhau đã có thể thông qua một số lượng lớn các kết quả tiềm năng đồng thời, chính vì thế tốc độ xử lí cũng được tăng lên đánh kể. Mặt dù có thể tồn tại ở 2 trạng thái cùng một lúc, nhưng kết quả cuối cùng của một phép tính xuất hiện chỉ khi các qubit được đo, điều này ngay lập tức khiến trạng thái lượng tử của chúng được xác định thành 1 hoặc 0 như Bit bình thường.
Entanglement
Có nghĩa là hai thành viên của một cặp QuBit có thể tồn tại ở một trạng thái lượng tử duy nhất. Thay đổi trạng thái của một trong các qubit sẽ ngay lập tức thay đổi trạng thái của QuBit khác. Điều này xảy ra ngay cả khi chúng cách nhau rất xa.
Trong máy tính thông thường, tăng gấp đôi số Bit sẽ tăng gấp đôi sức mạnh xử lý của nó. Nhưng nhờ tính chất này, việc thêm QuBit vào một cỗ máy lượng tử sẽ giúp khả năng xử lý số của nó tăng lên theo cấp số nhân.
Tin xấu là máy lượng tử dễ bị lỗi hơn máy tính cổ điển vì tính không mạch lạc =))).
Phân rã
Sự tương tác của các QuBit với môi trường của chúng theo những cách làm cho hành vi lượng tử của chúng phân rã và cuối cùng biến mất được gọi là sự phân rã. Trạng thái lượng tử của chúng cực kỳ mong manh. Sự rung động hoặc thay đổi nhiệt độ nhỏ nhất có thể khiến chúng rơi ra khỏi Superposition trước khi công việc của chúng được thực hiện đúng cách. Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu cố gắng hết sức để bảo vệ QuBit khỏi thế giới bên ngoài (trong những tủ lạnh và buồng chân không siêu lạnh).
Nhưng bất chấp những nỗ lực của con người và trình độ máy móc ở hiện tại, Bảo vệ QuBit vẫn chỉ mang kết quả tương đối và khiến cho chúng dễ bị phân rã. Việc thêm nhiều QuBit cũng có ích. Tuy nhiên, có thể sẽ mất hàng nghìn QuBit tiêu chuẩn để tạo ra một QuBit duy nhất, có độ tin cậy cao. Điều này sẽ làm tiêu hao rất nhiều chi phí và năng lực tính toán của máy tính lượng tử.
Đáng tiếc là cho đến nay, các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể tạo ra hơn 128 QuBit tiêu chuẩn (không bị phân rã nhanh chóng bởi tác động môi trường). Vì vậy, chúng ta vẫn còn nhiều năm nữa để có được máy tính lượng tử sẽ hữu ích trên diện rộng.
Ví dụ thực tế về tốc độ
Lấy một ví dụ thực tế, giả sử có ba người là Tín(A), Trung(B), Thành(C) cùng muốn di chuyển từ nhà ga ra siêu thị. Tuy nhiên hiện tại chỉ còn đúng hai chiếc taxi, biệt hiệu lần lượt là 0 và 1.
Chúng ta sẽ có cả thảy 8 cách để chọn như sau
A | B | C |
0 | 0 | 0 |
0 | 0 | 1 |
0 | 1 | 0 |
0 | 1 | 1 |
1 | 0 | 0 |
1 | 0 | 1 |
1 | 1 | 0 |
1 | 1 | 1 |
Ta thấy, với mỗi sự lựa chọn sẽ có những điểm tốt và xấu, có thể là về giá tiền của taxi thứ 1 và thứ 0, có thể là về những người được chọn ngồi chung xe có hợp nhau hay không, chung quy lại mục tiêu của máy tính thông thường sẽ là tìm ra sự lựa chọn thỏa mãn nhiều người nhất.
Để làm được điều này, máy tính thông thường sẽ duyệt hết 8 giá trị để xem giá trị nào thỏa mãn nhất, bởi vì tại mỗi thời điểm, những sự lựa chọn (hay những bit) chỉ có thể biểu diễn được là 1 hoặc 0. Giả sử mỗi trường hợp cần khoảng 1ms để xử lý thì tổng thời gian của bài toán này chỉ chưa đến 8ms.
Tuy nhiên, trong bài toán lớn hơn, khi số người tăng lên là 10 người, 1000 người, 1 triệu người, thì thời gian xử lí của máy tính thông thường sẽ tăng theo cấp số nhân 2^10, 2^1000, 2^1 triệu,... Hoàn toàn vượt xa giới hạn của máy tính thông thường.
Đối với máy tính lượng tử, sử dụng QuBit như một trò ảo thuật, vì QuBit có thể biểu diễn giá trị 0 và 1 một cách đồng thời, nên quay lại bài toán trên, với 8 cặp giá trị và 3 QuBit, máy tính lượng tử sẽ xử lí trong chưa đầy 1ms cho toàn bộ bài, con số QuBit sẽ tăng lên thành 10,1000,1 triệu QuBit và thời gian xử lí hoàn toàn không đổi cho các bài toán lớn hơn.
Công cuộc thử nghiệm sức mạnh của QuBit
Một máy tính lượng tử hoàn toàn có thể hoàn thành một phép tính toán học vượt quá tầm với của ngay cả siêu máy tính mạnh nhất. Chính vì vậy nó có thể được lợi dụng bởi các Hacker cùng với công nghệ Brute Force để tìm ra mật khẩu với thời gian nhanh hơn nhiều lần so với máy tính thông thường
Các nhà nghiên cứu hiện tại vẫn tiếp tục tìm ra các thuật toán mới để tăng hiệu suất của các máy cổ điển và phần cứng siêu máy tính ngày càng tốt hơn. Họ đã chạy thử nghiệm và tạo ra một số siêu máy tính mạnh nhất thế giới.
Các công ty cũng đã bắt đầu thử nghiệm với máy tính lượng tử: IBM, Rigetti và D-Wave,.... Các công ty Trung Quốc như Alibaba cũng đang cung cấp quyền truy cập vào máy lượng tử. Một số doanh nghiệp đang mua máy tính lượng tử, trong khi những doanh nghiệp khác đang sử dụng máy tính có sẵn thông qua các dịch vụ điện toán đám mây. Tương lai máy tính lượng tử được đưa vào đại trà có thể sẽ không xa.
