Máy tính lượng tử: Định nghĩa, Cách sử dụng và Ví dụ

Định nghĩa về Máy tính lượng tử?

Máy tính lượng tử là một lĩnh vực của khoa học máy tính sử dụng các nguyên lý của lý thuyết lượng tử. Lý thuyết lượng tử giải thích hành vi của năng lượng và vật chất ở mức nguyên tử và mức siêu nguyên tử.

Máy tính lượng tử sử dụng các hạt nhân vô cực, chẳng hạn như electron hoặc photon. Các bit lượng tử, hay qubit, cho phép các hạt này tồn tại ở nhiều trạng thái (tức là 1 và 0) cùng một lúc.

Về lý thuyết, các qubit liên kết có thể 'tận dụng sự can thiệp giữa các trạng thái sóng như lượng tử để thực hiện các phép tính mà trong trường hợp khác có thể mất hàng triệu năm.'

Máy tính cổ điển ngày nay sử dụng một dòng xung điện (1 và 0) theo cách nhị phân để mã hóa thông tin trong các bit. Điều này hạn chế khả năng xử lý so với máy tính lượng tử.

Những điều quan trọng cần nhớ

Hiểu về Máy Tính Lượng Tử

Lĩnh vực máy tính lượng tử xuất hiện vào những năm 1980. Đã phát hiện ra rằng một số vấn đề tính toán có thể được giải quyết hiệu quả hơn bằng thuật toán lượng tử so với các phương pháp cổ điển.

Máy tính lượng tử có khả năng sàng lọc qua hàng ngàn khả năng và trích xuất các giải pháp tiềm năng cho các vấn đề phức tạp và thách thức. Trái với máy tính cổ điển lưu trữ thông tin dưới dạng bit với chỉ có 0 hoặc 1, máy tính lượng tử sử dụng qubit. Qubit mang thông tin trong một trạng thái lượng tử kết hợp giữa 0 và 1 theo nhiều chiều.

Sự tiềm năng tính toán khổng lồ như vậy và kích thước thị trường dự kiến sử dụng đã thu hút sự chú ý của một số công ty nổi tiếng nhất. Điều này bao gồm IBM, Microsoft, Google, D-Waves Systems, Alibaba, Nokia, Intel, Airbus, HP, Toshiba, Mitsubishi, SK Telecom, NEC, Raytheon, Lockheed Martin, Rigetti, Biogen, Volkswagen và Amgen. 

Các Ứng Dụng và Lợi Ích của Máy Tính Lượng Tử

Máy tính lượng tử có thể đóng góp một cách đáng kể cho các lĩnh vực như an ninh, tài chính, quân sự và tình báo, thiết kế và phát hiện thuốc, thiết kế hàng không vũ trụ, các tiện ích (hợp nhất hạt nhân), thiết kế polymer, học máy, trí tuệ nhân tạo (AI), tìm kiếm dữ liệu lớn và sản xuất kỹ thuật số. 

Máy tính lượng tử có thể được sử dụng để cải thiện việc chia sẻ an toàn thông tin. Hoặc để cải thiện radar và khả năng phát hiện tên lửa và máy bay. Một lĩnh vực khác mà máy tính lượng tử được kỳ vọng hỗ trợ là môi trường và duy trì nước sạch với các cảm biến hóa học.

Dưới đây là một số lợi ích tiềm năng của máy tính lượng tử:

• Các tổ chức tài chính có thể sử dụng máy tính lượng tử để thiết kế các danh mục đầu tư hiệu quả hơn cho khách hàng cá nhân và tổ chức. Họ có thể tập trung vào việc tạo ra các bộ mô phỏng giao dịch tốt hơn và cải thiện phát hiện gian lận.
• Ngành y tế có thể sử dụng máy tính lượng tử để phát triển thuốc mới và chăm sóc y tế có mục tiêu di truyền. Nó cũng có thể cung cấp sức mạnh cho nghiên cứu DNA tiên tiến hơn.
• Đối với bảo mật trực tuyến mạnh mẽ hơn, máy tính lượng tử có thể giúp thiết kế mã hóa dữ liệu tốt hơn và các cách sử dụng tín hiệu ánh sáng để phát hiện xâm nhập vào hệ thống.
• Máy tính lượng tử có thể được sử dụng để thiết kế các hệ thống máy bay và kế hoạch giao thông hiệu quả hơn và an toàn hơn.
  

40%

Đặc Điểm của Máy Tính Lượng Tử

Siêu vị và liên kết là hai đặc điểm của vật lý lượng tử mà máy tính lượng tử dựa vào. Chúng tăng cường khả năng của máy tính lượng tử xử lý các thao tác với tốc độ lên một cách mũi hai so với máy tính thông thường và tiêu thụ năng lượng ít hơn nhiều.

Siêu Vị

Theo IBM, điều đáng chú ý không phải là qubit là gì mà là những gì qubit có thể làm. Một qubit đặt thông tin lượng tử mà nó chứa vào trạng thái siêu vị. Điều này ám chỉ đến sự kết hợp của tất cả các cấu hình có thể của qubit. 'Nhóm các qubit trong trạng thái siêu vị có thể tạo ra không gian tính toán phức tạp, đa chiều. Các vấn đề phức tạp có thể được biểu diễn theo cách mới trong những không gian này.'

Mắc Xích

Mắc xích là một phần quan trọng của sức mạnh tính toán lượng tử. Các cặp qubit có thể được làm cho mắc xích với nhau. Điều này có nghĩa là hai qubit sau đó tồn tại trong một trạng thái duy nhất. Trong trạng thái như vậy, thay đổi một qubit sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến qubit khác một cách có thể dự đoán.

Các thuật toán lượng tử được thiết kế để tận dụng mối quan hệ này để giải quyết các vấn đề phức tạp. Trong khi gấp đôi số lượng bit trong một máy tính cổ điển làm tăng gấp đôi sức mạnh xử lý của nó, thêm qubit dẫn đến một sự gia tăng mũi hai về sức mạnh tính toán và khả năng.

Sự Bài Tán

Sự Bài Tán xảy ra khi hành vi lượng tử của qubit suy giảm. Trạng thái lượng tử có thể bị làm xáo trộn ngay lập tức do rung động hoặc thay đổi nhiệt độ. Điều này có thể làm cho qubit rơi ra khỏi trạng thái siêu vị và gây ra lỗi trong tính toán. Việc bảo vệ qubit khỏi sự can thiệp như vậy rất quan trọng, ví dụ như bằng tủ lạnh siêu lạnh, cách nhiệt và buồng chân không.

Giới Hạn của Máy Tính Lượng Tử

Máy tính lượng tử mang lại tiềm năng khổng lồ cho sự phát triển và giải quyết vấn đề trong nhiều ngành công nghiệp. Tuy nhiên, hiện nay, nó vẫn còn những hạn chế của riêng nó.

• Sự Bài Tán, hay suy giảm, có thể được gây ra bởi những sự xáo trộn nhỏ nhất trong môi trường qubit. Điều này dẫn đến sự sụp đổ của các tính toán hoặc lỗi xảy ra trong chúng. Như đã đề cập ở trên, một máy tính lượng tử phải được bảo vệ khỏi mọi can thiệp từ bên ngoài trong suốt giai đoạn tính toán.
• Sửa lỗi trong giai đoạn tính toán chưa được hoàn thiện. Điều đó khiến các tính toán có thể không đáng tin cậy. Vì qubit không phải là các bit dữ liệu kỹ thuật số, chúng không thể hưởng lợi từ các giải pháp sửa lỗi thông thường được sử dụng bởi máy tính cổ điển.
• Việc thu hồi kết quả tính toán có thể làm hỏng dữ liệu. Các phát triển như một thuật toán tìm kiếm cơ sở dữ liệu cụ thể đảm bảo rằng hành động đo lường sẽ làm cho trạng thái lượng tử bài tán thành câu trả lời chính xác hứa hẹn.
• Bảo mật và mật mã lượng tử chưa được phát triển hoàn chỉnh.
• Sự thiếu hụt qubit ngăn cản máy tính lượng tử khỏi thực hiện tiềm năng sử dụng có tác động. Các nhà nghiên cứu vẫn chưa sản xuất được nhiều hơn 128 qubit, tính đến năm 2019.

Theo lãnh đạo năng lượng toàn cầu Iberdola, 'máy tính lượng tử phải có áp suất khí quyển gần như bằng không, nhiệt độ môi trường gần bằng không tuyệt đối (-273°C) và cách nhiệt khỏi từ trường của trái đất để ngăn các nguyên tử di chuyển, va chạm với nhau hoặc tương tác với môi trường.'

'Ngoài ra, những hệ thống này chỉ hoạt động trong khoảng thời gian rất ngắn, dữ liệu sẽ bị hư hỏng và không thể lưu trữ được, làm cho việc phục hồi thông tin trở nên khó khăn hơn.'

Máy Tính Lượng Tử so với Máy Tính Cổ Điển

Máy tính lượng tử có cấu trúc cơ bản hơn so với máy tính cổ điển. Chúng không có bộ nhớ hay bộ xử lý. Mọi thứ mà một máy tính lượng tử sử dụng là một tập hợp các qubit siêu dẫn.

Máy tính lượng tử và máy tính cổ điển xử lý thông tin theo cách khác nhau. Máy tính lượng tử sử dụng qubit để chạy các thuật toán lượng tử đa chiều. Công suất xử lý của chúng tăng mũ rõ rệt khi thêm qubit. Một bộ xử lý cổ điển sử dụng bit để vận hành các chương trình khác nhau. Công suất của chúng tăng tuyến tính khi thêm bit. Máy tính cổ điển có công suất tính toán thấp hơn nhiều.

Máy tính cổ điển phù hợp nhất cho các nhiệm vụ hàng ngày và có tỷ lệ lỗi thấp. Máy tính lượng tử lý tưởng cho một cấp độ nhiệm vụ cao hơn, ví dụ như chạy mô phỏng, phân tích dữ liệu (như trong thử nghiệm hóa học hoặc thuốc), tạo pin tiết kiệm năng lượng. Chúng cũng có thể có tỷ lệ lỗi cao.

Máy tính cổ điển không cần chăm sóc đặc biệt. Chúng có thể sử dụng một quạt nội bộ cơ bản để tránh quá nóng. Bộ xử lý lượng tử cần được bảo vệ khỏi những rung động nhẹ nhàng nhất và phải được giữ cực kỳ lạnh. Chất lỏng siêu lạnh siêu lạnh phải được sử dụng cho mục đích đó.

Máy tính lượng tử đắt hơn và khó xây dựng hơn so với máy tính cổ điển.

Các Máy Tính Lượng Tử Đang Trong Quá Trình Phát Triển

Google

Google đang chi hàng tỷ đô la để xây dựng máy tính lượng tử của mình vào năm 2029. Công ty đã mở một khuôn viên tại California mang tên Google AI để giúp họ đạt được mục tiêu này. Một khi phát triển thành công, Google có thể ra mắt dịch vụ máy tính lượng tử thông qua đám mây.

IBM

IBM dự định sẽ có một máy tính lượng tử 1.000 qubit vào năm 2023. Hiện tại, IBM cho phép các tổ chức nghiên cứu, đại học và phòng thí nghiệm tham gia Mạng Lượng tử của họ truy cập vào các máy móc của họ. 

Microsoft

Microsoft cung cấp cho các công ty truy cập vào công nghệ lượng tử qua nền tảng Azure Quantum.

Những Người Khác

Các công ty dịch vụ tài chính như JPMorgan Chase và Visa đang quan tâm đến máy tính lượng tử và công nghệ của nó.

Quantum Computing là gì một cách đơn giản nhất?

Làm sao để xây dựng một Máy Tính Lượng Tử? Khó Như Thế Nào?

Một Máy Tính Lượng Tử Giá Bao Nhiêu?

Máy Tính Lượng Tử Chạy Nhanh Như Thế Nào?

Tóm Lại

Máy tính lượng tử rất khác biệt so với máy tính cổ điển. Nó sử dụng qubit, có thể là 1 hoặc 0 cùng lúc. Máy tính cổ điển sử dụng bit, chỉ có thể là 1 hoặc 0.

Do đó, máy tính lượng tử nhanh hơn và mạnh mẽ hơn nhiều. Nó dự kiến sẽ được sử dụng để giải quyết nhiều nhiệm vụ cực kỳ phức tạp và có giá trị.

Mặc dù nó có những hạn chế vào thời điểm này, nhưng nó sẵn sàng được các công ty hàng đầu trong nhiều ngành công nghiệp sử dụng rộng rãi.