Điện toán lượng tử là một lĩnh vực đa ngành bao gồm nhiều khía cạnh của khoa học máy tính, vật lý và toán học vận dụng cơ học lượng tử để giải quyết những vấn đề phức tạp nhanh hơn so với máy tính cổ điển. Lĩnh vực điện toán lượng tử bao gồm nghiên cứu phần cứng và phát triển ứng dụng. Máy tính lượng tử có thể giải quyết một số loại vấn đề nhanh hơn máy tính cổ điển nhờ tận dụng các hiệu ứng cơ học lượng tử, chẳng hạn như trạng thái chồng chất và giao thoa lượng tử. Một số ứng dụng cho thấy máy tính lượng tử có thể tăng tốc độ xử lý như đã nêu bao gồm máy học (ML), tối ưu hóa và mô phỏng hệ thống vật lý. Các trường hợp sử dụng sau cùng có thể là tối ưu hóa danh mục trong lĩnh vực tài chính hoặc mô phỏng hệ thống hóa học, giúp giải quyết nhiều vấn đề mà hiện tại ngay cả những siêu máy tính mạnh nhất trên thị trường cũng không thể thực hiện được.
Ưu điểm của điện toán lượng tử là gì?
Hiện tại, không có máy tính lượng tử nào có thể thực hiện một tác vụ hữu ích nhanh hơn, rẻ hơn hoặc hiệu quả hơn máy tính truyền thống. Lợi thế lượng tử là ngưỡng khi chúng ta đã xây dựng một hệ thống lượng tử có thể thực hiện các thao tác mà cho dù là máy tính truyền thống tốt nhất cũng không thể mô phỏng trong bất kỳ khoảng thời gian hợp lý nào.
Cơ học lượng tử là gì?
Cơ học lượng tử là lĩnh vực vật lý nghiên cứu hành vi của các hạt ở cấp độ vi mô. Ở cấp độ hạ nguyên tử, các phương trình mô tả cách các hạt hoạt động khác ra sao so với các phương trình mô tả thế giới vĩ mô xung quanh chúng ta. Máy tính lượng tử tận dụng những hành vi này để thực hiện các phép tính theo một cách hoàn toàn mới.
Qubit là gì?
Các bit lượng tử, hay qubit, được biểu diễn bằng các hạt lượng tử. Việc điều khiển các qubit bởi các thiết bị điều khiển là cốt lõi của sức mạnh xử lý trong máy tính lượng tử. Qubit trong máy tính lượng tử tương tự như các bit trong máy tính truyền thống. Về cốt lõi, bộ xử lý của một máy truyền thống thực hiện tất cả công việc của mình bằng cách điều khiển các bit. Tương tự, bộ xử lý lượng tử thực hiện tất cả công việc bằng cách xử lý các qubit.
Qubit khác với các bit truyền thống như thế nào?
Đối với máy tính truyền thống, bit là một tín hiệu điện tử được bật hoặc tắt. Do đó, giá trị của bit truyền thống có thể là 1 (bật) hoặc 0 (tắt). Tuy nhiên, bởi vì qubit dựa trên các định luật của cơ học lượng tử, nó có thể được đặt trong một trạng thái chồng chập.
Điện toán lượng tử có các nguyên tắc nào?
Máy tính lượng tử hoạt động bằng cách sử dụng các nguyên tắc lượng tử. Các nguyên tắc lượng tử đòi hỏi phải có một từ điển thuật ngữ mới để hiểu đầy đủ về chúng, bao gồm các thuật ngữ về sự chồng chập, sự liên đới và sự mất liên kết. Hãy cùng tìm hiểu những nguyên tắc này dưới đây.
Chồng chập
Giống như sóng trong vật lý cổ điển, chồng chập có nghĩa là bạn có thể kết hợp hai hoặc nhiều trạng thái lượng tử và kết quả sẽ là một trạng thái lượng tử hợp lệ khác. Ngược lại, bạn cũng có thể trình bày mọi trạng thái lượng tử dưới dạng tổng của hai hoặc nhiều trạng thái riêng biệt khác. Sự chồng chập này của các qubit mang lại cho máy tính lượng tử tính song song vốn có của chúng, cho phép chúng đồng thời xử lý hàng triệu thao tác.
Liên đới
Liên đới lượng tử xảy ra khi hai hệ thống liên kết chặt chẽ đến mức thông tin của một hệ thống có thể ngay lập tức cho bạn biết về thông tin của hệ thống kia, bất kể chúng cách bao xa. Các bộ xử lý lượng tử có thể đưa ra kết luận về một hạt bằng cách đo một hạt khác. Ví dụ: chúng có thể xác định rằng nếu một qubit quay lên trên thì qubit kia sẽ luôn quay xuống và ngược lại. Liên đới lượng tử cho phép các máy tính lượng tử giải quyết các vấn đề phức tạp nhanh hơn.
Khi một trạng thái lượng tử được đo, hàm sóng sẽ sụp đổ và bạn có thể đo trạng thái dưới dạng số không hoặc số một. Ở trạng thái đã biết hoặc tất định này, qubit hoạt động như một bit truyền thống. Liên đới là khả năng các qubit tạo mối tương quan giữa trạng thái của chúng với các qubit khác.
Mất liên kết
Mất liên kết là sự mất đi trạng thái lượng tử trong một qubit. Các yếu tố môi trường, chẳng hạn như bức xạ, có thể khiến trạng thái lượng tử của các qubit bị sụp đổ. Một thách thức kỹ thuật lớn trong việc xây dựng một máy tính lượng tử là thiết kế các tính năng khác nhau để cố gắng trì hoãn sự mất liên kết của trạng thái, chẳng hạn như xây dựng các cấu trúc đặc biệt che chắn các qubit khỏi các trường bên ngoài.
Một máy tính lượng tử gồm những thành phần nào?
Máy tính lượng tử bao gồm phần cứng và phần mềm, tương tự như máy tính truyền thống.
Phần cứng lượng tử
Phần cứng lượng tử gồm ba thành phần chính.
Mặt phẳng dữ liệu lượng tử
Mặt phẳng dữ liệu lượng tử là cốt lõi của máy tính lượng tử, bao gồm các qubit vật lý và các cấu trúc cần thiết để giữ chúng đúng vị trí.
Mặt phẳng điều khiển và đo lường
Mặt phẳng điều khiển và đo lường chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số thành tín hiệu liên tục hoặc tín hiệu điều khiển sóng. Các tín hiệu liên tục này thực hiện các thao tác trên qubit trong mặt phẳng dữ liệu lượng tử.
Mặt phẳng bộ xử lý điều khiển và bộ xử lý máy chủ
Mặt phẳng bộ xử lý điều khiển thực hiện thuật toán lượng tử hoặc chuỗi thao tác. Bộ xử lý máy chủ tương tác với phần mềm lượng tử và cung cấp tín hiệu kỹ thuật số hoặc chuỗi bit truyền thống cho mặt phẳng điều khiển và đo lường.
Phần mềm lượng tử
Phần mềm lượng tử thực hiện các thuật toán lượng tử độc nhất bằng cách sử dụng các mạch lượng tử. Mạch lượng tử là một quy trình điện toán thường xuyên, xác định một loạt các thao tác logic lượng tử trên các qubit cơ bản. Các lập trình viên có thể sử dụng các công cụ và thư viện lập trình phần mềm khác nhau để viết mã các thuật toán lượng tử.
Có những loại công nghệ lượng tử nào?
Không ai có thể chỉ ra cách tốt nhất để xây dựng một máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi và có nhiều công ty cũng như nhóm nghiên cứu đang nghiên cứu các loại qubit khác nhau. Dưới dây, chúng tôi đưa ra một ví dụ ngắn gọn về một số công nghệ qubit.
Bộ xử lý bẫy ion dựa trên cổng
Máy tính lượng tử dựa trên cổng là một thiết bị lấy dữ liệu đầu vào và chuyển đổi nó bằng một thao tác đơn nhất được xác định trước. Thao tác này thường được biểu diễn bằng một mạch lượng tử và tương tự như các thao tác cổng trong thiết bị điện tử truyền thống. Tuy nhiên, cổng lượng tử hoàn toàn khác với cổng điện tử.
Các máy tính lượng tử bẫy ion triển khai qubit bằng cách sử dụng trạng thái điện tử của các nguyên tử tích điện gọi là các ion. Các ion bị hạn chế và lơ lửng phía trên bẫy vi gia công bằng cách sử dụng điện trường. Các hệ thống dựa trên bẫy ion sử dụng các cổng lượng tử dùng tia laser để điều khiển trạng thái điện tử của ion. Các qubit bẫy ion sử dụng các nguyên tử đến từ tự nhiên, thay vì tạo ra các qubit tổng hợp.
Bộ xử lý siêu dẫn dựa trên cổng
Siêu dẫn là một tập hợp các đặc tính vật lý mà bạn có thể quan sát thấy trong một số vật liệu nhất định, như thủy ngân và heli ở nhiệt độ rất thấp. Ở những vật liệu này, bạn có thể quan sát nhiệt độ tới hạn đặc trưng mà dưới mức đó điện trở sẽ bằng không và trường từ thông bị loại bỏ. Dòng điện qua một vòng dây siêu dẫn có thể tồn tại vô thời hạn mà không cần nguồn điện.
Điện toán lượng tử siêu dẫn là hoạt động của máy tính lượng tử trong các mạch điện tử siêu dẫn. Qubit siêu dẫn được tạo ra bằng các mạch điện siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ đông lạnh.
Bộ xử lý quang tử
Bộ xử lý quang lượng tử là một thiết bị điều khiển ánh sáng để tính toán. Máy tính quang lượng tử tận dụng nguồn ánh sáng lượng tử phát ra xung ánh sáng ở trạng thái ép cùng các đơn vị tương đương qubit tương ứng với các chế độ của một toán tử liên tục, chẳng hạn như vị trí hoặc động lượng.
Bộ xử lý nguyên tử trung hòa
Công nghệ qubit nguyên tử trung hòa tương tự như công nghệ bẫy ion. Tuy nhiên, công nghệ này sử dụng ánh sáng thay vì lực điện từ để bẫy qubit và giữ nó ở đúng vị trí. Các nguyên tử không được tích điện và các mạch có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng
Bộ xử lý nguyên tử Rydberg
Nguyên tử Rydberg là một nguyên tử bị kích thích bởi một hoặc nhiều electron ở xa hạt nhân hơn, theo trung bình. Nguyên tử Rydberg có một số đặc tính đặc biệt bao gồm phản ứng thái quá với điện trường và từ trường, và có thời gian tồn tại cao. Khi được sử dụng làm qubit, chúng tạo ra các tương tác nguyên tử mạnh mẽ và có thể kiểm soát được mà bạn có thể điều chỉnh bằng cách chọn các trạng thái khác nhau.
Máy ủ lượng tử
Ủ lượng tử là việc thông qua một quá trình vật lý để đặt các qubit của hệ thống lượng tử ở mức năng lượng tối thiểu tuyệt đối. Sau đó, phần cứng sẽ nhẹ nhàng thay đổi cấu hình của hệ thống, làm cho biểu đồ năng lượng của nó thể hiện ra vấn đề cần được giải quyết. Ưu điểm của máy ủ lượng tử là số lượng qubit có thể lớn hơn nhiều so với số lượng có sẵn trong hệ thống dựa trên cổng. Tuy nhiên, việc sử dụng các máy ủ chỉ giới hạn trong các trường hợp cụ thể.
Các công ty sử dụng điện toán lượng tử như thế nào?
Điện toán lượng tử có thể cách mạng hóa các ngành nghề. Dưới đây là ví dụ về một số trường hợp sử dụng:
ML
Máy học (ML) là quá trình phân tích một lượng lớn dữ liệu để giúp máy tính đưa ra các dự đoán và quyết định tốt hơn. Ngành nghiên cứu điện toán lượng tử nghiên cứu về các giới hạn vật lý của quá trình xử lý thông tin và đang tìm ra nhiều phát kiến mới trong lĩnh vực vật lý cơ bản. Nghiên cứu này dẫn đến những tiến bộ trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp, chẳng hạn như hóa học, tối ưu hóa và mô phỏng phân tử. Đây cũng là một lĩnh vực ngày càng được quan tâm để các dịch vụ tài chính dự đoán các biến động của thị trường và ngành sản xuất cải thiện hoạt động sản xuất.
Tối ưu hóa
Điện toán lượng tử có thể cải thiện việc nghiên cứu và phát triển cũng như tối ưu hóa chuỗi cung ứng và sản xuất. Ví dụ: bạn có thể áp dụng điện toán lượng tử để giảm chi phí liên quan đến quy trình sản xuất và rút ngắn thời gian chu kỳ bằng cách tối ưu hóa các yếu tố, chẳng hạn như việc hoạch định đường đi trong các quy trình phức tạp. Một ứng dụng khác là việc tối ưu hóa lượng tử các danh mục cho vay để người cho vay có thể giải phóng vốn, giảm lãi suất cũng như cải thiện sản phẩm và dịch vụ họ cung cấp.
Mô phỏng
Các nỗ lực điện toán cần thiết để mô phỏng hệ thống sẽ điều chỉnh quy mô một cách chính xác, nhanh chóng theo sự phức tạp của các phân tử và vật liệu thuốc. Ngay cả khi sử dụng phương pháp xấp xỉ, các siêu máy tính hiện nay cũng không thể đạt được mức độ chính xác mà các mô phỏng này yêu cầu. Điện toán lượng tử có tiềm năng giải quyết một số vấn đề điện toán khó khăn nhất hay gặp phải trong lĩnh vực hóa học, cho phép cộng đồng khoa học hiện nay có thể thực hiện các mô phỏng hóa học vốn bất khả thi. Ví dụ:Pasqal xây dựng phần mềm điện toán QUBEC của mình để chạy các mô phỏng hóa học. QUBEC tự động hóa các phần việc nặng nhọc cần thiết để chạy các tác vụ điện toán lượng tử, từ việc tự động cung cấp cơ sở hạ tầng điện toán đến việc chạy các phép tính truyền thống trước và sau xử lý và thực hiện các tác vụ giảm thiểu lỗi.
Làm thế nào để bạn có thể bắt đầu sử dụng điện toán lượng tử?
Nếu bạn muốn sử dụng thử điện toán lượng tử, bạn có thể bắt đầu với trình mô phỏng phần cứng lượng tử trên máy cục bộ của bạn. Trình mô phỏng là phần mềm thông thường mô phỏng hành vi lượng tử trên máy tính truyền thống. Chúng có thể dự báo được và cho phép bạn xem các trạng thái lượng tử. Chúng rất hữu ích nếu bạn muốn kiểm thử các thuật toán của mình trước khi đầu tư thời gian vào phần cứng lượng tử. Tuy nhiên, chúng không thể tái tạo hành vi lượng tử thực tế.
Bạn cũng có thể sử dụng dịch vụ điện toán lượng tử đám mây để viết mã trên một máy tính lượng tử thực sự mà không cần đầu tư vào phần cứng đắt tiền.
Nguồn: https://aws.amazon.com/vi/what-is/quantum-computing/
By: Phòng Truyền thông Triệu Nụ Cười Group.
