Chúng ta đã nghe nói về máy tính lượng tử trong ít nhất một vài năm. Nhưng nó là gì? Máy tính lượng tử dùng để làm gì? Ngày nay, tất cả chỉ là về nó trong những từ ngữ đơn giản.
Lượng tử máy tính là một phát minh được nhiều nhà nghiên cứu đặt nhiều hy vọng, kỳ vọng rằng nó sẽ có tác động tích cực đến sự phát triển của khoa học. Tuy nhiên, hiểu được cách thức hoạt động của vật lý lượng tử là rất khó. Một số nhà vật lý thậm chí còn nghi ngờ liệu "máy tính lượng tử" hiện tại có nên được gọi như vậy hay không. Trở ngại lớn nhất trong việc sử dụng tính toán lượng tử là số lượng lớn các lỗi bị ảnh hưởng bởi những thay đổi dù là nhỏ nhất trong môi trường của các máy lượng tử. Cho đến nay, chúng ta vẫn chưa thể khai thác một cách thỏa đáng tiềm năng của các bit lượng tử. Hôm nay chúng ta sẽ thử tìm hiểu xem những bit rất lượng tử này có gì đặc biệt?
Máy tính lượng tử có tồn tại không?
Bản chất của bất kỳ nhà khoa học thực sự nào là không tin tưởng và kiểm tra mọi lúc. Tôi nhớ rất rõ những lời này khi tôi vẫn còn là một sinh viên. Và hơn một lần anh chắc chắn về tính đúng đắn của cụm từ này. Điều này cũng áp dụng cho "máy tính lượng tử". Tại sao tôi lại trích dẫn tên của những máy tính này? Hãy cùng tìm hiểu.
Máy tính lượng tử là một chủ đề rất phức tạp, nhưng tôi sẽ cố gắng làm cho nó đơn giản nhất có thể và nói về chúng theo cách dễ tiếp cận. Thậm chí ngày nay, các nhà khoa học, nhà vật lý và kỹ sư có thể tranh luận về câu hỏi tưởng chừng đơn giản là liệu một máy tính lượng tử đang hoạt động có tồn tại ở đâu đó trên thế giới hay không. “Nhưng rốt cuộc thì làm thế nào, những công ty như IBM lại khoe khoang về máy tính lượng tử!” - ai đó có thể nói. Và anh ấy sẽ đúng. Vẫn là một câu hỏi bỏ ngỏ liệu IBM có thực sự tạo ra một máy tính lượng tử hay chỉ đơn giản gọi thiết bị của mình là “máy tính lượng tử”.
Khi một người bạn của tôi yêu cầu tôi giải thích bằng những từ đơn giản như thế nào máy tính lượng tử khác với máy tính chúng ta quen thuộc, tôi thường sử dụng một phép so sánh đơn giản. Nếu máy tính cổ điển của chúng tôi (chẳng hạn như PC, máy tính xách tay và điện thoại thông minh) là nến, thì máy tính lượng tử là bóng đèn. Mục đích của cả hai đều giống nhau - đối với đèn sợi đốt và nến, đó là sự phát ra ánh sáng, và đối với máy tính, đó là để tính toán. Tuy nhiên, trong cả hai trường hợp, mục tiêu đạt được hoàn toàn khác nhau và kết quả cũng khác nhau. Nói một cách đơn giản, máy tính lượng tử không chỉ là một phiên bản cải tiến của máy tính hiện đại, giống như một bóng đèn không chỉ là một ngọn nến lớn hơn. Bạn không thể tạo ra một bóng đèn bằng cách làm cho nến ngày càng tốt hơn. Bóng đèn khác nhau Công nghệ, dựa trên sự hiểu biết khoa học sâu sắc hơn. Tương tự như vậy, máy tính lượng tử là một loại thiết bị mới dựa trên vật lý lượng tử, và cũng giống như bóng đèn đã thay đổi xã hội, máy tính lượng tử có thể ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh trong cuộc sống của chúng ta, bao gồm nhu cầu bảo mật, chăm sóc sức khỏe và thậm chí cả Internet.
Vì vậy, nếu chúng ta cứ so sánh máy tính với bóng đèn, thì "lượng tử Joseph Swan" (người tạo ra bóng đèn sợi đốt chức năng đầu tiên) vẫn chưa xuất hiện, và cho đến nay khoa học đang cố gắng, nói một cách đơn giản, "cái gì đó đỏ và nóng" bằng cách kiểm tra, mức độ phát sáng của nó. Chúng ta biết một số cơ sở lý thuyết về cách máy tính lượng tử hoạt động, nhưng có những trở ngại rất lớn đối với sự phát triển của chúng vẫn đang chờ được giải quyết.
Các trung tâm nghiên cứu và các công ty trên khắp thế giới đang tiến hành các thử nghiệm và nghiên cứu sâu hơn, và các chuyên gia trong lĩnh vực vật lý lượng tử đồng ý rằng việc tạo ra các máy lượng tử hoạt động đầy đủ mà chúng ta có thể sử dụng để đạt được những mục tiêu không thể đạt được ở giai đoạn này rõ ràng sẽ vượt qua hàng chục trong nhiều năm.
Tôi tin và nhiều nhà khoa học sẽ đồng ý với tôi rằng những cỗ máy hiện được gọi là máy tính lượng tử hoàn toàn không xứng đáng với cái tên như vậy. Họ thiếu khả năng thực hiện các phép tính hoặc giải quyết các vấn đề mà chúng ta không thể giải quyết theo cách thông thường, cổ điển.
Chúng tôi vẫn chưa đạt đến mức độ phát triển công nghệ của mình để có thể tạo ra một cỗ máy lượng tử có thể giải quyết các vấn đề mà hiện nay máy tính cổ điển không thể tiếp cận được. Tất nhiên, Google hoặc IBM nói về một số hoặc các phép tính được thực hiện khác sẽ khó thực hiện theo cách cổ điển, nhưng hiện tại chúng không thuyết phục.
Đọc thêm: Trung Quốc cũng háo hức khám phá không gian. Vậy họ đang làm như thế nào?
Lượng tử là gì?
"Lượng tử" là gì? Nó không phải là một đối tượng vật lý. Thuật ngữ "lượng tử" được sử dụng trong vật lý để mô tả phần nhỏ nhất có thể có của một cái gì đó. Vì vậy, bạn có thể có một "lượng tử lực", một "lượng tử thời gian" hoặc một "lượng tử hạt". Theo con đường này, chúng ta sẽ đến với các thuật ngữ như "vật lý lượng tử" và "cơ học lượng tử", tức là các nhánh của khoa học xử lý các tương tác hoặc hệ thống nhỏ nhất có thể - ở cấp độ nguyên tử và thậm chí là các hạt quark riêng lẻ.
Và bây giờ chúng ta đã đạt đến qubit (bit lượng tử), tức là "đơn vị nhỏ nhất và không thể phân chia của thông tin lượng tử." Đồng thời, chúng ta cũng đi đến điểm đầu tiên, nó cho chúng ta biết về sự giống và khác nhau trong cách máy tính cổ điển (sử dụng bit) và máy tính lượng tử (sử dụng qubit) thực hiện các phép tính.
Trong máy tính cổ điển, mỗi phần thông tin được lưu trữ dưới dạng một chuỗi các số một và số không. Thông tin đó được máy tính, bảng điều khiển, điện thoại thông minh, đồng hồ thông minh và TV thông minh, tương tự như các thao tác được thực hiện trên thông tin này. Cho dù chúng ta đang xem ảnh kỳ nghỉ, trò chuyện với bạn bè, chơi trò chơi mới nhất hay thực hiện các phép tính mật mã nâng cao, mọi thứ đều xảy ra trong một hệ thống nhị phân, nơi có 0 hoặc 1 và không có gì khác. Trên thực tế, nó giống như một câu trả lời có hoặc không cổ điển hơn.
Hệ thống này kém hiệu quả như thế nào khi chúng ta đạt đến giới hạn của nó. Và cho dù chúng ta hết dung lượng trên điện thoại thông minh của mình để chụp ảnh tự sướng khác hay các nhà khoa học đang cố gắng tạo ra các mô hình toán học về sự phát triển của đại dịch, vấn đề là có quá nhiều số không và số không, tài nguyên để lưu trữ chúng và sức mạnh để tính toán chúng không có sẵn.
Qubit giải quyết vấn đề này. Phần thông tin này sử dụng các đặc tính của vật lý lượng tử cho phép nó duy trì ở một cái gọi là chồng chất. Một qubit có thể nhận bất kỳ giá trị nào trong khoảng từ 0 đến 1. Nó có các thuộc tính của toàn bộ quang phổ và có thể có các giá trị như 15 phần trăm 85 và phần trăm một. Về mặt lý thuyết, điều này cho phép bạn lưu nhiều thông tin hơn hoặc tăng tốc độ tính toán. Nhưng đồng thời cũng nảy sinh rất nhiều vấn đề khó kiểm soát, thậm chí khó hiểu.
Một tính năng khác của máy tính lượng tử, cho phép mở rộng thêm khả năng tính toán, là sử dụng rối lượng tử. Đây là trạng thái mà hai qubit được kết nối với nhau, và mỗi khi chúng ta quan sát một trong số chúng, qubit kia sẽ ở trạng thái chính xác. Entanglement cho phép nhóm qubit thành các đơn vị thậm chí còn hiệu quả hơn để ghi và xử lý thông tin.
Đọc thêm: Biohackers là ai và tại sao chúng lại tự nguyện đóng chip?
Thiết bị lượng tử
Một máy tính lượng tử bao gồm ba phần chính: một khu vực để lưu trữ các qubit, một phương pháp để truyền tín hiệu đến các qubit, và một máy tính cổ điển để chạy một chương trình và gửi các lệnh.
Vật liệu lượng tử tạo nên qubit rất mỏng manh và cực kỳ nhạy cảm với các ảnh hưởng từ môi trường. Đối với một số phương pháp lưu trữ qubit, đơn vị lưu trữ các qubit được giữ ở nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối để tối đa hóa tính liên kết của chúng. Các loại lưu trữ qubit khác sử dụng buồng chân không để giảm thiểu rung động và ổn định các qubit.
Có nhiều phương pháp truyền tín hiệu tới qubit, chẳng hạn như vi sóng, laser và điện áp.
Để thiết lập hoạt động bình thường của máy tính lượng tử, cần giải quyết nhiều vấn đề. Một vấn đề lớn với máy tính lượng tử là sửa lỗi, và việc mở rộng quy mô (thêm nhiều qubit) làm tăng thêm tần số của chúng. Vì những hạn chế này, một máy tính cá nhân lượng tử trên bàn làm việc của bạn vẫn còn là một tương lai xa, nhưng máy tính lượng tử thương mại có thể sẽ xuất hiện trong tương lai gần. Hãy nói về điều này chi tiết hơn.
Các vấn đề của máy tính lượng tử
Tuy nhiên, máy tính lượng tử có một vấn đề lớn. Đó là, các nhà khoa học gặp phải một vấn đề lớn trong việc sử dụng chúng, bởi vì, nhờ những tính chất đặc biệt của chúng, qubit cần một môi trường đủ yên tĩnh để có thể đọc chính xác bất kỳ dữ liệu nào từ chúng. Mọi vi phạm dù là nhỏ nhất cũng sẽ khiến bạn không thể đọc chính xác thông tin.
Trong trường hợp của máy tính cổ điển, một vấn đề tương tự cũng đóng một vai trò quan trọng trong quá khứ, nhưng ngày nay nó không đáng kể đến mức nó thường bị bỏ qua ngay cả trong khoa học hàn lâm. Chúng tôi đang nói về tỷ lệ lỗi. Nó là một chỉ số xác định tỷ lệ bit hoặc qubit của thông tin có thể bị hỏng. Điều này có thể xảy ra, ví dụ, tại thời điểm quá áp hoặc các nhiễu khác.
Đối với các thiết bị cổ điển, xác suất lỗi là khoảng một 1017 chút Trong trường hợp của máy tính lượng tử, đây vẫn là một trong số hàng trăm. Và đây là tình huống mà các máy tính lượng tử hoạt động trong những điều kiện cô lập nhất và ở nhiệt độ -272 độ C, tức là cao hơn một chút so với độ không tuyệt đối. Bất kỳ sự dao động nhiệt độ nào, thay đổi trong trường điện từ và thậm chí chuyển động đều phá hủy toàn bộ tính toán.
Một vấn đề khác là "tính không ổn định" của các trạng thái lượng tử. Mỗi khi chúng ta đo lường hoặc muốn xáo trộn một trạng thái lượng tử, nó sẽ trở về một trong hai vị trí, không và một. Trong trường hợp này, trạng thái lượng tử sẽ phân rã. Quá trình này được gọi là decoherence lượng tử.
Hãy nghĩ theo cách này: máy tính lượng tử là một nhà toán học lành nghề thực hiện các phép tính phức tạp và kết quả của nó là từ 0 đến 1 triệu. Đến lượt chúng ta, là một đứa trẻ chỉ hiểu rằng một cái gì đó có thể là quá nhiều hoặc quá ít. Bất cứ khi nào một nhà toán học có thể có các kết quả khác nhau, chẳng hạn như 356 hoặc 670,23, theo hiểu biết của chúng tôi về thế giới, mỗi kết quả này sẽ được phân loại là ít (1) hoặc nhiều (846), mà không xác định sự khác biệt cụ thể giữa hai kết quả. Đây là sự suy giảm lượng tử. Cách duy nhất để thực hiện một phép tính đúng là đảm bảo bài toán trước khi nó hoàn thành.
Đọc thêm: Sự kiên trì và sự khéo léo sẽ làm được gì trên sao Hỏa?
Chúng ta sẽ sử dụng máy tính lượng tử để làm gì?
Ngày nay, câu hỏi được đặt ra là máy tính lượng tử có thể được sử dụng để làm gì, giống như 20 năm trước, một chiếc điện thoại thông minh có thể được sử dụng để làm gì. Tất nhiên, đã có một số kế hoạch và giả định, nhưng những hướng thú vị nhất cho việc sử dụng qubit có lẽ sẽ trở nên rõ ràng khi máy tính lượng tử trở nên phổ biến.
Mật mã học là một trong những lĩnh vực phổ biến nhất mà tính toán lượng tử thường được sử dụng nhất. Vấn đề là nó sẽ là một phương pháp truyền thông tin một cách rất an toàn, và bảo mật không dựa trên sự phức tạp của các quy trình tính toán, mà dựa trên các quy luật vật lý, điều này sẽ mang lại niềm tin rằng một số điều đơn giản là không thể. Và tại thời điểm này, nó sẽ không thể nghe, do thám, hack.
Tính bảo mật trong trường hợp này được đảm bảo bởi các đặc tính vật lý của qubit, như tôi đã giải thích trước đó, không còn hiển thị các đặc điểm chồng chất ngay sau khi chúng được quan sát. Vì vậy, bất kỳ nỗ lực nào để đánh chặn hoặc thậm chí sao chép thông điệp được mã hóa sẽ chỉ đơn giản là phá hủy nó.
Máy tính lượng tử cũng có thể cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về các quá trình tự nhiên. Sự "hỗn loạn" của sự chồng chất phản ánh tốt hơn nhiều cách, ví dụ, đột biến trong DNA, và do đó là sự phát triển của bệnh tật và sự tiến hóa. Tính toán lượng tử ngày nay đã được sử dụng để tạo ra các loại thuốc mới.
Có lẽ sẽ hợp lý khi nói về việc sử dụng máy tính lượng tử để dịch chuyển dữ liệu. Vâng, chính xác là sự dịch chuyển dữ liệu, và có thể là một người. Chúng tôi sẽ có thể dịch chuyển thông tin từ nơi này đến nơi khác mà không cần chuyển nó. Nghe có vẻ như tưởng tượng, nhưng hoàn toàn có thể xảy ra, bởi vì sự lưu động này của các hạt lượng tử có thể bị vướng vào thời gian và không gian, do đó sự thay đổi ở một hạt có thể ảnh hưởng đến hạt khác, và điều này tạo ra một kênh dịch chuyển tức thời. Điều này đã được chứng minh trong các phòng thí nghiệm và có thể là một phần của internet lượng tử trong tương lai. Chúng ta chưa có một mạng như vậy, nhưng một số nhà khoa học đã và đang nghiên cứu những khả năng này, mô phỏng một mạng lượng tử trên một máy tính lượng tử. Họ đã phát triển và triển khai các giao thức mới thú vị, chẳng hạn như dịch chuyển tức thời giữa những người dùng mạng và truyền dữ liệu hiệu quả, và thậm chí là bỏ phiếu an toàn.
Cũng cần phải nói rằng máy tính lượng tử nên được sử dụng để mô phỏng các tình huống khác nhau và tìm ra giải pháp cho các vấn đề, bao gồm cả thuốc và vắc xin. Ví dụ, trong các đại dịch như coronavirus, khi cần tính toán và tính toán các phương án nhanh hơn. Ở đây bạn có thể sử dụng khả năng mô hình lượng tử, không thể thực hiện trên máy tính cổ điển. Khi một căn bệnh mới xuất hiện, quá trình tìm cách chữa trị mất khoảng 15 năm và có thể tiêu tốn tới 2,6 tỷ USD. Trong một số bệnh, cần phải lọc qua hàng triệu phân tử để chỉ xác định hàng trăm cá nhân có triển vọng có khả năng trở thành người hiến tặng. Sau đó, trong quá trình thử nghiệm, khoảng 99% các phân tử bị rơi ra ngoài do dự đoán sai về hành vi và các giới hạn lấy mẫu. Đây là nơi mà máy tính lượng tử sẽ xuất hiện hàng đầu.
Và đây vẫn chỉ là một vài trong số những ý tưởng tuyệt vời về những gì có thể đạt được bằng vật lý lượng tử. Hiện tại, chúng tôi quản lý ở một mức độ nào đó để chế ngự nhân vật thất thường của cô ấy, nhưng mọi diễn biến vẫn ở mức ban đầu. Việc tạo ra một máy tính lượng tử thực sự và ứng dụng hàng loạt của nó vẫn còn khá xa, nhưng sự tiến bộ không hề đứng yên. Vì vậy, có lẽ trong khoảng mười năm nữa, bạn sẽ đọc bài báo này với sự trợ giúp của máy tính lượng tử và sẽ mỉm cười tự mãn.
Đọc thêm:
Çoch sağ olun, muellimin bize các thiết bị bộ nhớ hiện đại