February 28, 2023
Sự ra mắt của máy tính lượng tử đang là một cuộc đua công nghệ giữa các quốc gia phát triển hàng đầu trên thế giới.
“Máy tính lượng tử là một trong ba công nghệ có thể thay đổi thế giới một cách sâu sắc, rồi mới đến trí tuệ nhân tạo (AI) và tương tác thực tế ảo (VR)”.
CEO Microsoft – Satya Nadella chia sẻ tại hội nghị Microsoft Ignite
1. Máy tính lượng tử có điểm gì đặc biệt?
Máy tính cổ điển (Classical Computer) hay là máy tính mà chúng ta đang sử dụng hằng ngày bằng cách đưa vào nó những dữ liệu với ngôn ngữ của con người như các chữ, số, hình vẽ… Máy tính cỗ điển sẽ chuyển hóa thành ngôn ngữ “số học” là các số theo hệ nhị phân (hệ thống đếm dựa trên các số 0 và 1). Thế nên, với một ngôn ngữ chỉ chứa 0 và 1 thì máy tính chỉ thực hiện được khi có các lập trình cụ thể và tính toán chính xác theo những chỉ dẫn đó.
Máy tính lượng tử (Quantum Computing) không hoạt động theo ngôn ngữ máy tính thông thường, nghĩa là nó không chỉ dùng hệ đếm thập phân 0 và 1 để thực hiện tác vụ. Thay vào đó, máy tính này hoạt động dựa trên các hiệu ứng của cơ học lượng tử. Trong cơ học lượng tử, có 2 trạng thái quan trọng được ứng dụng để thực hiện các phép tính là sự chồng chập và liên đới của lượng tử. Đó là lý do của các tên máy tính lượng tử.
Máy tính cổ điển được đo bằng số lượng bit (binary digit), đơn vị đo nhỏ nhất của máy tính, được biểu thị thành 2 giá trị là 0 hoặc 1, nếu số lượng bit càng lớn thì máy tính sẽ có khả năng chứa càng nhiều. Trong khi đó, máy tính lượng tử sử dụng đơn vị là “Qubits” (quantum bits – đơn vị thông tin lượng tử cơ bản) sẽ nhận các giá trị rộng hơn nằm trong khoảng từ 0 tới 1, thậm chí nhận được cùng lúc giá trị 0 và 1.
Các qubit dựa vào các hiện tượng lượng tử như chồng chất – một hạt có thể tồn tại ở nhiều trạng thái đồng thời và dựa trên sự liên đới lượng tử – các trạng thái của các hạt ở xa có thể được liên kết sao cho việc thay đổi hạt này sẽ thay đổi hạt kia ngay lập tức. Trạng thái này này giúp nó có thể đi tất cả các con đường cùng một lúc mỗi con đường sẽ có sự giao thoa trong trạng thái này, cho đến khi sự chồng chập đó sụp đổ nó sẽ để lộ ra điểm giao thoa, điểm đó là con đường mà máy tính cần tính toán. Về lý thuyết, điều này cho phép các qubit thực hiện các phép tính nhanh hơn nhiều so với các bit kỹ thuật số.
Tuy nhiên, máy tính lượng tử nhưng năm qua cho thấy một điểm yếu chí mạng: Các trạng thái lượng tử của qubit cực kỳ tinh vi và ngay cả sự gián đoạn nhỏ nhất từ môi trường bên ngoài cũng có thể làm rối loạn trạng thái của chúng mãi mãi. Điều đó làm cho máy tính lượng tử rất dễ bị lỗi.
2. Những ứng dụng của máy tính lượng tử
Trong thế giới ngày nay đang phát triển với tốc độ chưa từng thấy, công nghệ tiên tiến đang dẫn đầu và máy tính lượng tử đứng đầu hàng. Với sức mạnh xử lý đáng kinh ngạc, máy tính lượng tử được kỳ vọng sẽ thay đổi nhiều lĩnh vực và đẩy ranh giới của những gì chúng ta từng nghĩ là không thể. Một số ứng dụng tuyệt vời của máy tính lượng tử và cách chúng đang thay đổi tương lai của chúng ta.
Độ chính xác lượng tử trong dự báo thời tiết
Ngay cả với những công cụ quan trọng nhất trong khí tượng học, việc tạo ra dự báo thời tiết chính xác vẫn là một thách thức lớn. Tuy nhiên, sự xuất hiện của máy tính lượng tử đã thay đổi hoàn toàn trò chơi. Những máy tính tiên tiến này có khả năng tạo ra mô hình thời tiết phức tạp cho một khu vực cụ thể hoặc thậm chí cả hành tinh với độ chính xác đáng kinh ngạc.
Máy tính lượng tử có thể đưa ra dự đoán về việc hình thành, quỹ đạo và cường độ của một cơn bão, cung cấp thông tin quan trọng ngay trước khi cơn bão hình thành. Hartmut Neven, Giám đốc Kỹ thuật của Google, nhấn mạnh rằng máy tính lượng tử có thể vượt ra khỏi việc dự báo các sự kiện thời tiết cụ thể. Chúng có thể dự đoán các xu hướng khí hậu trong tương lai, giúp chúng ta hiểu rõ hậu quả của việc tăng nhiệt đới trên trái đất trong những thập kỷ sắp tới.
Tăng tốc quá trình phát triển thuốc
Hành trình đưa một loại thuốc mới ra thị trường là một quá trình dài dằng và đắt đỏ, bao gồm hàng nghìn thử nghiệm, thường kéo dài hàng chục năm và tiêu tốn hàng triệu đô la. Tuy nhiên, máy tính lượng tử đang thay đổi cảnh này một cách đáng kể.Những máy tính mạnh mẽ này có khả năng phân tích hàng nghìn kết hợp phân tử trong thời gian ngắn so với các phương pháp truyền thống. Bằng cách nhanh chóng xác định các ứng viên thuốc hứa hẹn nhất, máy tính lượng tử giúp tối ưu hóa quá trình phát triển thuốc, tiết kiệm thời gian nghiên cứu và phát triển.
Hơn nữa, máy tính lượng tử có khả năng giải mã gen con người, mở ra cơ hội đột phá trong lĩnh vực y học. Bước này mở ra khả năng y học cá nhân, nơi các liệu pháp được tùy chỉnh dựa trên di truyền cá nhân của mỗi người.
Bảo mật thông tin bằng công nghệ lượng tử
Trong thế giới nơi thông tin nhạy cảm luôn được truyền qua các kênh số hóa, an ninh là vô cùng quan trọng. Máy tính lượng tử sẽ đem đến một “era” mới trong bảo mật thông tin thông qua mã hóa lượng tử.
Các phương pháp mã hóa thông thường dựa trên thuật toán toán học, và theo mức độ tiến bộ của công nghệ, nguy cơ bị giải mã cũng tăng lên. Mã hóa lượng tử sử dụng các tính năng độc đáo của cơ học lượng tử. Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc rằng bất kỳ can thiệp nào vào dữ liệu cũng sẽ thay đổi trạng thái lượng tử của nó, làm cho sự can thiệp trở nên rất rõ ràng với các bên liên quan.
Điều này có nghĩa rằng ngay cả nếu một máy tính lượng tử cố gắng giải mã một thông điệp đã được mã hóa bằng cách lượng tử, nó sẽ tạo ra sự thay đổi ở dữ liệu, khiến nó trở nên vô dụng. Mã hóa lượng tử hứa hẹn một mức độ bảo mật dữ liệu mà trước đây được xem là không thể thực hiện.
Thám hiểm không gian vũ trụ xa hơn
Mặc dù nhà thiên văn học đã có những phát hiện đáng kể với kính thiên văn như Kepler, thông tin thu được thường là một cái nhìn vào quá khứ của các thiên thể. Để thực sự hiểu vũ trụ và xác định sự tồn tại của sự sống ngoài trái đất, chúng ta cần có khả năng xử lý lượng lớn dữ liệu thiên văn một cách nhanh chóng và chính xác.
Máy tính lượng tử là công cụ mà chúng ta cần để đạt được mục tiêu này. Chúng có thể lọc thông tin thiên văn, tái tạo nó vào dạng gốc. Khả năng này giúp các nhà khoa học xác định xem sự sống đã từng tồn tại trên các hành tinh xa xôi hay không, đó là một nhiệm vụ quan trọng trong thiên văn học hiện đại.
3. Cuộc chạy đua của máy tính lượng tử
Google, Microsoft, IBM và những công ty công nghệ khác đã đầu tư nhiều nguồn lực vào lĩnh vực này trong cuộc đua trở thành người đầu tiên đưa năng lực tính toán lượng tử vào thị trường đại chúng.
Mạng Internet lượng tử ở châu Âu
Tháng 5/2023, tiến sĩ Benjamin Lanyon ở Đại học Innsbruck tại Áo đạt một bước tiến quan trọng trong việc tạo ra một loại mạng Internet mới. Ông truyền thông tin dọc theo cáp quang dài 50 km dựa trên những nguyên lý của vật lý lượng tử. Nếu hai hạt bị rối, bất kể chúng ở xa bao nhiêu trong không gian, chúng vẫn sở hữu đặc tính tương tự. Ví dụ, cả hai có cùng “spin”, biểu thị hướng mômen động lượng nội tại của một hạt cơ bản. Trạng thái spin của hạt không rõ ràng cho tới khi được quan sát. Trước đó, chúng ở nhiều trạng trái gọi là chồng chập. Nhưng khi đã quan sát, trạng thái của cả hai hạt đều được xác định rõ.
Điều này rất hữu ích trong an toàn truyền tin. Những người lén lấy dữ liệu truyền lượng tử sẽ để lại dấu vết rõ ràng thông qua tạo ra thay đổi ở trạng thái của hạt đã quan sát. “Chúng tôi có thể sử dụng đặc tính của rối lượng tử để đạt được một biện pháp truyền tin an toàn ngay cả khi kẻ tấn công có máy tính lượng tử”, Stephanie Wehner, giáo sư thông tin lượng tử ở Đại học Công nghệ Delft tại Hà Lan, người điều phối QIA, chia sẻ.
Kết quả nghiên cứu này giúp Châu Âu tiến xa hơn trong việc phát triển không gian tích hợp và cơ sở hạ tầng mặt đất để truyền tin an toàn, một phần cốt lõi của Internet lượng tử.
Chế tạo máy tính lượng tử – cuộc đua của những cường quốc
Ngoài châu Âu, Trung Quốc và Mỹ cũng đang đạt được nhiều bước tiến về máy tính và Internet lượng tử trong những năm gần đây. Khi các Big – tech của hai quốc gia liên tục cho ra mắt những phiên bản máy tính lượng tử có khả năng tính toán những bài toán rất phức tạp trong một khoản thời gian ngắn đáng kinh ngạc so với “siêu” máy tính cổ điển và với chính các phiên bản đầu tiên của mình.
Tháng 7/2023, Google phát triển máy tính lượng tử Frontier có thể lập tức thực hiện phép tính mà “siêu” máy tính tốt nhất hiện nay mất tới 47 năm. Bài báo của các nhà nghiên cứu ở Google cho biết công nghệ mới nhất của công ty vượt ngoài khả năng của “siêu” máy tính cổ điển hiện nay. Theo họ, công nghệ dựa vào trạng thái đặc biệt của vật lý lượng tử, có thể tạo ra những cỗ máy siêu mạnh để đối phó biến đổi khí hậu và sản xuất các loại thuốc đột phá.
Trong khi cỗ máy năm 2019 có 53 qubit, máy tính thế hệ mới có 70 qubit. Việc tăng thêm qubit giúp cải thiện sức mạnh của máy tính lượng tử theo cấp số nhân, có nghĩa cỗ máy mạnh gấp 241 triệu lần so với phiên bản năm 2019. Theo nhóm nghiên cứu, Frontier mất 6,18 giây để giải một phép tính từ cỗ máy 53 qubit của Google. Với phiên bản mới nhất, thời gian đó tăng lên 47,2 năm. Các nhà nghiên cứu cũng cho biết máy tính lượng tử mới nhất của họ mạnh hơn so với cỗ máy của Trung Quốc.
Ngày 10/10 vừa qua, Trung Quốc tiếp tục công bố kết quả phát triển máy tính lượng tử JiuZhang có thể xử lý bài toán siêu phức tạp trong vòng một phần triệu giây, nhanh hơn 20 tỷ năm so với siêu máy tính nhanh nhất thế giới – Frontier. Nguyên mẫu JiuZhang 3 phá vỡ kỷ lục mà phiên bản tiền nhiệm trong dòng máy từng đạt được với tốc độ tính toán tăng gấp một triệu lần, theo nghiên cứu trên tạp chí Physical Review Letters. Nhóm nghiên cứu được chỉ đạo bởi Pan Jianwei, nhà khoa học hàng đầu trong chương trình nghiên cứu lượng tử quốc gia của Trung Quốc, đến từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc ở Hợp Phì, tỉnh An Huy.
Cỗ máy Jiuzhang đầu tiên, đặt theo tên một cuốn sách toán cổ đại, được nhóm của Pan chế tạo vào năm 2020. Dòng máy tính này sử dụng photon, những hạt cực nhỏ di chuyển ở tốc độ ánh sáng, làm phương tiện tính toán. Mỗi photon mang một qubit, đơn vị thông tin lượng tử cơ bản. Sau khi tăng số lượng photon từ 76 lên 113 ở hai phiên bản máy tính đầu tiên, Pan và cộng sự đạt được mốc 255 ở phiên bản mới nhất.
Nhóm nghiên cứu sử dụng Jiuzhang 3 để giải quyết một bài toán phức tạp dựa trên lấy mẫu Gaussian boson, mô phỏng hành vi của hạt ánh sáng di chuyển qua mê cung tinh thể và gương. Bài toán ban đầu được giới thiệu như một trò chơi không mục đích, dù một số nghiên cứu gần đây chỉ ra lấy mẫu Gaussian boson có một số ứng dụng trong công nghệ mã hóa. Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu chứng minh Jiuzhang 3 giải quyết bài toán với tập mẫu phức tạp nhất, chứng tỏ nó có thể xử lý nhiệm vụ trong vòng một phần triệu giây. Trong khi Frontier, siêu máy tính nhanh nhất do Mỹ phát triển, đồng thời là máy tính mạnh nhất thế giới vào giữa năm 2022, sẽ cần hơn 20 tỷ năm để hoàn thành nhiệm vụ tương tự.
4. Kết luận
Theo thống kê của Valuenex, Trung Quốc đang nắm giữ hơn 3.000 bằng sáng chế liên quan đến công nghệ lượng tử, gấp đôi so với Mỹ và gấp 3 lần Nhật. Boston Consulting Group dự báo vào 7/2021, công nghệ này có thể tạo ra giá trị tương đương 10 tỉ USD hằng năm vào năm 2030 và tăng lên mức 850 tỉ USD vào khoảng năm 2040.
Cuộc chạy đua xây dựng các máy tính lượng tử chẳng khác nào một cuộc “chạy đua vũ trang” khi bất kỳ ai hay quốc gia nào tạo ra được máy tính lượng tử, đều có thể nắm bắt rất nhiều lợi thế trong việc phát trieenrr kinh tế và chính trị.
Nguồn: Tổng hợp báo chí
