Đường đua công nghệ về máy tính lượng tử đang ngày càng trở nên gay cấn với những phát minh đột phá cùng tính ứng dụng vượt trội. Được nhắc đến như chiếc máy tính mạnh nhất thế giới, máy tính lượng tử là gì? Nó đem đến những giá trị gì cho cuộc sống của chúng ta?
Contents
Máy tính lượng tử là gì?
Theo Wiki: Máy tính lượng tử là loại máy tính thế hệ tương lai với tốc độ xử lý và hiệu quả vận hành đạt ngưỡng hoàn hảo. Thay vì sử dụng thuật toán công nghệ thông tin thông thường, chiếc máy tính này hoạt động trên cơ chế cơ học lượng tử.
Tức là dữ liệu đầu vào không được phân tích dựa trên hệ đếm thập phân 0 và 1. Thay vào đó nó được xử lý thông qua các hiệu ứng cơ học lượng tử. Có 2 trạng thái quan trọng được sử dụng để hoàn thiện các phép tính là sự chồng chập và vướng víu của lượng tử.
Tìm hiểu rõ hơn về máy tính lượng tử
Máy tính lượng tử là thế hệ siêu máy tính đang được nghiên cứu, chế tạo nhằm khắc phục những hạn chế của máy tính truyền thống. Chi tiết dưới đây là một vài đặc điểm nổi bật của hệ thống máy tính này.
Đơn vị đo của máy tính lượng tử
Máy tính thông thường được đo bằng số lượng bit với đơn vị nhỏ nhất là 0 hoặc 1. Máy có số bit càng lớn thì khả năng chứa càng rộng. Trong khi đó máy tính lượng tử sử dụng đơn vị Qubits hay bits lượng tử hoặc quantum bits. Đơn vị này nhận số lượng giá trị lớn hơn trong khoảng 0 tới 1. Thậm chí nhận cùng lúc giá trị 0 và 1, đây là điều hệ thống máy tính thường không thể làm được.
Tham khảo: Bức xạ điện từ là gì? Phân loại, tác hại và cách phòng tránh
Tốc độ xử lý
Không chỉ khác biệt về đơn vị hay cơ chế hoạt động, tốc độ xử lý của máy tính lượng tử cũng cao hơn hẳn so với máy tính thường. Nó không chỉ cao cấp hơn mà đó là cả một sự “tiến hóa” trong cơ chế vận hành, hoạt động. Bạn có thể hiểu rõ hơn qua ví dụ sau:
Bài toán tìm đường ra khỏi mê cung được thực hiện cùng lúc trên máy tính thường và máy tính lượng tử.
Với máy tính thường, hệ thống tiến hành tìm kiếm từng đường và sắp xếp lại theo kết quả thu được. Từ đó đưa ra phương án tốt nhất. Tức là nó phải thực hiện tất cả các câu trả lời rồi mới đưa ra kết quả cuối cùng.
Cũng bài toán này, máy tính lượng tử có cách xử lý khác hoàn toàn. Quá trình đánh giá được diễn ra cùng lúc trên toàn bộ con đường. Thay vì đi qua từng đường một, hệ thống có thể đưa ra dự đoán ngay lập tức phương án tối ưu từ dữ liệu ban đầu. Rút ngắn thời gian phản hồi so với máy tính thường.
Điều kiện hoạt động
Các hệ thống máy tính lượng tử đặc biệt nhạy cảm với áp suất và nhiệt độ cũng như độ cách điện. Bởi nếu có tương tác với các hạt bên ngoài sẽ xuất hiện lỗi, giảm độ chính xác của các hoạt động. Đó là lý do chúng thường được niêm phong và vận hành bằng máy tính thông thường.
Cấu trúc của một máy tính lượng tử
Một chiếc máy tính lượng tử hoàn chỉnh có cấu trúc như thế nào?
Hình dáng thiết kế
Về thiết kế, máy tính lượng tử được mô tả như một chiếc đèn chùm khổng lồ. Có lẽ vì vậy các chuyên gia gọi đó là kiến trúc đèn chùm.
Chip xử lý
Một siêu chip điện tử được sử dụng để vận hành toàn bộ hệ thống. Nó được đặt giữa các Qubit, sắp xếp theo dạng bàn cờ. Nhiệm vụ của máy tính lượng tử là thực hiện tác vụ phức tạp với các biến đổi ngẫu nhiên. Để đáp ứng được điều đó các Qubit cũng được thiết kế đặc biệt, tự do di chuyển trên mạch dạng bàn cờ.
Muốn vậy các nhà khoa học đã đặt Qubit trong điều kiện môi trường tương tự như một chiếc tủ lạnh. Trong đó gồm hỗn hợp helium hóa lỏng đặc biệt. Tác dụng chính của chúng là làm mát chip điện tử, tạo môi trường nhiệt độ phù hợp.
Tham khảo: Vật lý lượng tử là gì? Những ứng dụng của vật lý lượng tử
Sự khác biệt giữa máy tính thường và máy tính lượng tử
Xét một các tổng quan, điện toán và lượng tử là thế giới song song và có nhiều điểm tương đồng. Chúng ta có thể phân biệt chúng qua các đặc điểm sau:
- Chức năng: Nếu như máy tính thường được sử dụng để phục vụ các nhu cầu cá nhân thì máy tính lượng tử không được dùng cho những mục đích sử dụng rộng rãi. Thay vào đó chúng được tập trung cho các lĩnh vực nhằm đem đến giải pháp mang tính toàn diện.
- Ngôn ngữ lập trình: Máy tính lượng tử không sử dụng mã lập trình riêng. Thay vào đó nó yêu cầu những thuật toán cụ thể. Tuy nhiên chúng ta lại có các ngôn ngữ lập trình tiêu biểu cho máy tính thường như: Python, Java và SQL,…
- Kiến trúc: Máy tính lượng tử có cấu trúc đơn giản hơn máy tính thường do không sử dụng bộ xử lý, bộ nhớ. Thay vào đó nó vận hành thông qua một tập hợp qubit.
Ảnh hưởng của máy tính lượng tử với thế giới
Gây chú ý với tốc độ và tính chính xác trong quá trình xử lý, sự hoàn thiện của máy tính lượng tử hứa hẹn đem đến nhiều lợi ích tuyệt vời trong nhiều lĩnh vực. Từ đó mở ra thế giới mới cho toàn nhân loại, tác động sâu rộng đến xã hội.
Tăng cường an ninh mạng
Sự ra đời của máy tính lượng tử có thể phá vỡ phương thức mã hóa đang sử dụng. Từ đó bảo vệ an ninh mạng tốt hơn, hạn chế tình trạng bị lấy cắp thông tin. Ngoài ra nó cũng được dùng để phân tích lượng dữ liệu lớn, ngăn chặn các phương thức và mối đe dọa trên không gian mạng.
Thúc đẩy nghiên cứu khoa học
Thông qua máy tính lượng tử chúng ta có thể thực hiện, tính toán và mô phỏng những nghiên cứu, hiện tượng phức tạp một cách nhanh chóng. Từ đó đẩy nhanh tiến độ phát triển công nghệ mới, phát minh khoa học kỹ thuật trong các lĩnh vực từ y tế, y học, vật liệu, giao thông hay năng lượng,…
Cải thiện chăm sóc sức khỏe
Hệ thống này cũng có thể được áp dụng trong điều trị và chăm sóc sức khỏe. Nó giúp mô phỏng, xử lý tính toán phức tạp để đưa ra các loại thuốc mới, tối ưu cấu trúc thuốc nhằm gia tăng hiệu quả.
Mặt khác nó cũng được dùng để nghiên cứu, hoàn thiện các phương pháp điều trị cho nhiều loại bệnh và tình trạng bệnh. Điển hình như kỹ thuật kiểm tra tế bào, cấu trúc phức tạp của RNA, Protein, DNA,…
Cách mạng hóa giáo dục
Đối với lĩnh vực giáo dục, máy tính lượng tử được sử dụng nhằm phân tích dữ liệu để đưa ra tài liệu cùng mô hình giảng dạy phù hợp. Từ đó gia tăng hiệu quả giảng dạy cũng như tạo sự hấp dẫn, mới lạ cho học sinh.
Ngoài ra hệ thống này cũng được dùng để hỗ trợ nghiên cứu, phân tích các vấn đề mới cho sinh viên, nhà nghiên cứu để không ngừng nâng cấp, cải thiện giáo dục nói chung. Không chỉ vậy nó cũng có thể tối ưu hóa các kế hoạch phân bổ nguồn lực cho trường học, nâng cao hiệu quả chung của hệ thống giáo dục.
Tối ưu vận tải và hậu cần
Máy tính lượng tử được ứng dụng trong định tuyến, lập kế hoạch cho các mạng lưới vận tải. Nhờ vậy không chỉ tối ưu quản lý chuỗi cung ứng mà còn giúp tiết kiệm chi phí, tạo sự thuận tiện trong giao thông, vận tải và hậu cần.
Nhờ sự trợ giúp của thiết bị này, các hoạt động, lưu thông trên đường phố đều được điều phối nhanh chóng. Ngoài ra nó cũng được sử dụng để tạo và điều chỉnh lộ trình di chuyển của phương tiện giao thông. Nhờ vậy hạn chế ách tắc trong giờ cao điểm, phân luồng và đưa ra các phương án di chuyển phù hợp.
Hỗ trợ đưa ra các quyết định
Với khả năng mô phỏng, tính toán và đưa ra các dự đoán chính xác, máy tính lượng tử được sử dụng giúp hỗ trợ chính phủ đưa ra quyết định sáng suốt, giải quyết các vấn đề về kinh tế, xã hội, môi trường, sản xuất,… Không chỉ vậy nó cũng giúp đưa ra dự báo về rủi ro, tối ưu danh mục đầu tư.
Hỗ trợ nghiên cứu, chế tạo dược phẩm
Máy tính lượng tử được sử dụng để mô phỏng, tính toán hàm lượng dược phẩm với độ chính xác cao để đưa ra các phương thuốc mới và hiệu quả. Điều này vừa giúp đẩy nhanh quá trình sản xuất thuốc, vừa tiết kiệm chi phí và hạn chế rủi ro.
Không chỉ tham gia vào sản xuất, hệ thống máy tính này cũng sẽ được sử dụng với chuỗi cung ứng và hậu cần. Bằng cách này dược phẩm được phân phối tới các đơn vị với chi phí và thời gian tối ưu, đảm bảo chất lượng và công hiệu.
Những thách thức của máy tính lượng tử là gì?
Dù được biết đến với nhiều hứa hẹn về lợi ích và tiềm năng ứng dụng trong đa dạng lĩnh vực song sự phát triển của máy tính lượng tử cũng phải đối mặt với nhiều thách thức. Dưới đây là một vài vấn đề nổi trội:
Khó khăn trong nhân rộng, xây dựng hệ thống máy tính lượng tử
Để hoàn thiện một hệ thống máy tính lượng tử đặc biệt khó khăn và phức tạp. Chính vì vậy muốn nhân rộng quy mô, chúng ta sẽ phải đối mặt với nhiều thách thức. Hơn thế nữa hệ thống lượng tử đặc biệt nhạy cảm với các biến đối môi trường, nó dễ dàng bị phá vỡ bởi nhiều yếu tố như trường điện từ, nhiệt độ, áp suất và cả tiếng ồn.
Phát triển thuật toán lượng tử
Dù được đánh giá cao về tốc độ xử lý và tính chính xác khi giải quyết các phép tính, mô phỏng và dự đoán. Thế nhưng việc phát triển thuật toán lượng tử để ứng dụng chúng không phải là điều dễ dàng. Nó là thành quả của quá trình nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm của đội ngũ giáo sư, kỹ sư đầu ngành. Hơn hết công nghệ cũng là một trong những điều kiện bắt buộc cần có để phát triển.
Xử lý và khắc phục lỗi
Xây dựng, phát triển đã khó, với tính chất “mỏng manh” máy tính lượng tử rất dễ mắc lỗi. Chúng có thể được tích lũy theo thời gian và ảnh hưởng đến độ chính xác cùng tốc độ xử lý của thiết bị. Dĩ nhiên việc khắc phục, xử lý lỗi cho các thiết bị này cũng không đơn giản. Đòi hỏi sự tìm tòi, nghiên cứu chuyên sâu để có thể giải quyết, hạn chế ảnh hưởng đến toàn hệ thống.
Mở rộng, nâng cấp cơ sở hạ tầng lượng tử
Muốn ứng dụng và phát huy tiềm năng tối đa của máy tính lượng tử, chúng ta cần có hệ thống cơ sở hạ tầng mạnh mẽ. Điều này bao gồm phát triển các giao thức, tiêu chuẩn và công nghệ nhằm gia tăng hiệu quả truyền tải, xử lý và lưu trữ lượng tử. Muốn vậy ngoài đội ngũ kỹ sư chuyên ngành, chúng ta cần phải có tiềm lực mạnh về kinh tế và công nghệ.
Dù vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và hoàn thiện song chúng ta có thể thấy rõ tiềm năng và những lợi ích tuyệt vời của máy tính lượng tử. Hy vọng thiết bị này sẽ nhanh chóng được hoàn thiện và ứng dụng, phụ trợ cho cuộc sống của con người trong tương lai.
