Điện toán lượng tử là gì? Ứng dụng vượt bậc của điện toán lượng tử trong tương lai

Ngày đăng: 2021-09-27 09:45:04 - Ngày cập nhật: 2021-09-27 09:46:52 - Số lần xem: 2309
Điểm: 0/5 (0 phiếu)

Các nhà khoa học cho rằng, điện toán lượng tử (quantum computing) chính là chìa khóa để đi vào một kỷ nguyên công nghệ mới. Các kỹ sư đang chú ý đến một bước đột phá trong điện toán lượng tử. Nếu mọi việc diễn ra theo đúng kế hoạch, các máy tính sẽ lấy năng lượng từ lượng tử để thực hiện các phép tính phức tạp trong thời gian nhanh nhất.

1. Tìm hiểu về điện toán lượng tử

Điện toán lượng tử (Quantum computing) là một trong các phương pháp xử lý thông tin tiến bộ trong tương lai. Theo đó người ta sẽ sử dụng những nguyên lý của cơ học lượng tử để thực hiện các phép tính phức tạp trong một khoảng thời gian ngắn do nhiều siêu máy tính nhanh nhất trên thế giới thực hiện.

Theo định nghĩa của Gartner, một công ty nghiên cứu và tư vấn công nghệ thông tin hàng đầu thế giới thì điện toán lượng tử là: Sử dụng các trạng thái lượng tử nguyên tử để tác động đến sự tính toán. Dữ liệu được tổ chức thành các qubit, có khả năng nắm giữ đồng thời tất cả các trạng thái có thể xảy ra. Dữ liệu được giữ trong qubit bị ảnh hưởng bởi dữ liệu được giữ trong các qubit khác, ngay cả khi có sự tách biệt về mặt vật lý. Hiệu ứng này được gọi là “sự vướng víu lượng tử”. Trong một mô tả đơn giản, máy tính lượng tử sử dụng các qubit thay vì sử dụng các bit nhị phân truyền thống là số 0 và số 1 cho thông tin kỹ thuật số.

Điện toán lượng tử dựa trên bit lượng tử, gọi là quantum bit (viết tắt là Qubit).

Qubit là đơn vị thông tin cơ bản trong tính toán lượng tử. Qubit đóng một vai trò tương tự trong tính toán lượng tử như các bit đóng trong tính toán cổ điển, nhưng chúng hoạt động rất khác nhau. Các bit cổ điển là nhị phân và chỉ có thể giữ một vị trí 0 hoặc 1, nhưng các qubit có thể giữ một chồng tất cả các trạng thái có thể có.

Nguồn: Azure

Điện toán lượng tử có thể đóng góp rất nhiều trong các lĩnh vực tài chính, quân sự & trí tuệ, thiết kế và khám phá thuốc, thiết kế hàng không vũ trụ, tiện ích (phản ứng tổng hợp hạt nhân), thiết kế polymer, máy học & trí tuệ nhân tạo (AI), tìm kiếm Dữ liệu lớn (Big data) và sản xuất kỹ thuật số.

Quy mô thị trường dự kiến ​​và tiềm năng của nó đã thu hút một số công ty công nghệ nổi bật nhất làm việc trong lĩnh vực điện toán lượng tử, bao gồm IBM, Microsoft, Google, D-Waves Systems, Alibaba, Nokia, Intel...

2. Ưu thế lượng tử là gì?

Ưu thế lượng tử (quantum supremacy) là tên được đặt cho điểm giả thuyết mà tại đó một máy tính lượng tử có thể thực hiện một phép tính mà không một máy tính kỹ thuật số có thể thực hiện trong một khoảng thời gian hợp lý.
Lĩnh vực máy tính lượng tử bắt đầu vào những năm 1980. Sau đó, người ta phát hiện ra rằng một số vấn đề tính toán nhất định có thể được giải quyết bằng các thuật toán lượng tử hiệu quả hơn so với các thuật toán cổ điển của chúng. 
Máy tính lượng tử xử lý thông tin theo cách sử dụng qubit, có thể là 1 hoặc 0 cùng một lúc. Số lượng qubit liên kết với nhau làm tăng khả năng tính toán lượng tử theo cấp số nhân. Trong khi đó, việc liên kết nhiều bóng bán dẫn với nhau hơn chỉ làm tăng công suất một cách tuyến tính.

Các nhà nghiên cứu của Google hiện dường như đã thực hiện một phép tính như vậy. Nhiệm vụ là thực hiện một chuỗi lệnh ngẫu nhiên trên máy tính lượng tử, sau đó xuất ra kết quả xem xét các qubit của nó. Và điều này khó thực hiện trên máy tính kỹ thuật số.

3. Máy tính lượng tử hoạt động như thế nào?

Một máy tính lượng tử có ba phần chính:

  • Một khu vực chứa các qubit
  • Phương pháp chuyển tín hiệu tới qubit
  • Một máy tính cổ điển để chạy chương trình và gửi hướng dẫn

Đối với một số phương pháp lưu trữ qubit, đơn vị lưu trữ các qubit được giữ ở nhiệt độ chỉ trên độ không tuyệt đối để tối đa hóa tính liên kết của chúng và giảm nhiễu. Các loại vỏ qubit khác sử dụng buồng chân không để giúp giảm thiểu rung động và ổn định các qubit.

Tín hiệu có thể được gửi đến qubit bằng nhiều phương pháp, bao gồm vi sóng, laser và điện áp.

4. Ứng dụng máy tính lượng tử trong các lĩnh vực

Về cơ bản, máy tính lượng tử có thể chạy (một số) phép tính nhanh hơn theo cấp số mũ so với máy tính nhị phân thông thường ngày nay. Điều này làm cho máy tính lượng tử trở nên vô cùng mạnh mẽ khi có thể giải quyết song song cả tỷ phép tính trong khi một máy tính nhị phân cổ điển chỉ có thể giải quyết từng phép tính.

Google đã tuyên bố làm được máy tính lượng tử Sycamore tính toán siêu nhanh. Máy tính lượng tử của Google mất khoảng 200 giây (3 phút 20 giây) để thực hiện được phép toán mà IBM Summit, siêu máy tính mạnh nhất thế giới, ước tính phải mất 10.000 năm mới giải xong.

Nguồn ảnh: Internet

Do vậy, trong các lĩnh vực cần tối ưu hóa thời gian xử lý, máy tính lượng tử có thể giải quyết các vấn đề mà máy tính nhị phân hiện tại chưa thể hoàn thành trong thời gian nhanh chóng. Vậy công nghệ máy tính lượng tử có thể sử áp dụng vào những khía cạnh nào, hãy cùng tìm hiểu.

Dự báo thời tiết với độ chính xác cực cao

Dù có sử dụng những thiết bị đo khí tượng tốt nhất thì việc đưa ra một bản dự báo thời tiết với độ chính xác gần như tuyệt đối vẫn là một công việc không khả thi. Nhưng với sự xuất hiện của máy tính lượng tử thì việc xây dựng một mô hình thời tiết cho một khu vực hay toàn cầu là hoàn toàn có thể làm được.

Mô phỏng phân tử

Mô phỏng phân tử đã là một lĩnh vực quan trọng trong sinh học và hóa học, vì nó giúp chúng ta hiểu cấu trúc của các phân tử, cách chúng tương tác với nhau và cũng giúp ta khám phá các phân tử mới. Mặc dù các máy tính cổ điển ngày nay có thể mô phỏng các động lực học phân tử, nhưng lại luôn hạn chế trong việc mô phỏng các phân tử phức tạp nhất định. Máy tính lượng tử có thể phá vỡ rào cản này một cách hiệu quả. 

Bảo mật thông tin chặt chẽ hơn

Chúng ta luôn sử dụng các thông tin được mã hóa mà thậm chí bản thân mình không hề nhận ra như đăng nhập vào các tài khoản email hay dùng thẻ tín dụng để mua hàng qua mạng. Mặc dù khả năng những dữ liệu này bị can thiệp là không cao nhưng vẫn còn tiềm ẩn nhiều nguy cơ từ những tin tặc. Với máy tính lượng tử thì cơ chế bảo mật đã được thay mới bằng hệ thống phòng vệ cơ học lượng tử. Hệ thống này hoạt động theo cơ chế ổ khóa nào thì đi với chìa khóa đấy và có thêm nhận dạng của các bên liên quan.

Máy học 

Máy tính lượng tử có thể giúp giải quyết các vấn đề về máy học, tạo kết nối giữa các đầu vào và 'học' các kết nối như thế nào. Bằng cách xem xét các cặp đầu vào và đầu ra đã biết, máy tính lượng tử cho phép các nhà nghiên cứu khai thác một loạt các kết nối phong phú và xây dựng các mô hình phức tạp và mạnh mẽ hơn.
Những cỗ máy có khả năng học hỏi sẽ là một trong những điểm mạnh nhất của máy tính lượng tử khi bộ xử lý của những robot tương lai sẽ có khả năng tự thu thập thông tin, xử lý chúng và tự thích nghi với những tình huống có thể xảy ra dựa vào những thông tin nhận được. Những cuộc thám hiểm không gian hay thăm dò những khu vực nguy hiểm sẽ rất cần điều này.

AI nhân văn hơn

Trong suốt thập kỷ qua, AI đã trải qua nhiều bước tiến với việc sử dụng các mạng lưới thần kinh là mô hình học máy dựa trên các tế bào thần kinh trong não của chúng ta. Việc mô phỏng lại mạng nơ – ron thần kinh là một thách thức rất lớn với các nhà nghiên cứu, không chỉ đơn giản là nhập dữ liệu về hình ảnh, nhận dạng giọng nói, hành vi con người mà còn phải đào tạo nó.

>> Trí tuệ nhân tạo là gì? Ứng dụng trí tuệ nhân tạo vào trong cuộc sống

Việc đào tạo các mạng lưới thần kinh lớn đòi hỏi một sức mạnh tính toán khổng lồ và phải mất một thời gian rất dài. Vấn đề này có thể dễ dàng được giải quyết bằng cách sử dụng máy tính lượng tử. Máy tính lượng tử có thể giảm đáng kể thời gian để đào tạo các mạng thần kinh lớn trên các bộ dữ liệu rất lớn.
Vì lý do này, Google đang đầu tư vào nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử để tăng tốc thuật toán AI của mình bằng phần cứng lượng tử.

Nguồn tham khảo

1. Azure: What is quantum computing? 

2. Investopedia: Quantum Computing

3. Wired: Quantum computing and quantum supremacy, explained

Tags: ,

Bài liên quan