Với khả năng thực hiện vô số tác vụ trong một khoảng thời gian vô cùng ngắn, những gì máy tính lượng tử có thể làm được thật sự vượt ngoài tầm tưởng tượng của chúng ta. Nhiệm vụ của máy tính lượng tử rất đơn giản: giải các phép toán phức tạp. Nhưng cách thức để chúng làm điều này thì lại không hề đơn giản như vậy.

Con chip của máy tính lương tử Google Quantum Dream, Santa Barbara, California, có dung lượng 54 qubits.

Đội ngũ nghiên cứu tại Đại học California, Santa Barbara đã tạo nên lịch sử trong hành trình phát triển máy tính lượng tử với cỗ máy mới nhất: được cho là còn mạnh mẽ hơn cả những siêu máy tính lớn nhất. Và nghiên cứu mới này đã chính thức được trình diện trong tạp chí Nature vào ngày 23 tháng 10 với sự hỗ trợ của Google.

The đội ngũ, máy tính lượng tử này có thể xử lý một bài toán số học chỉ trong 200 giây, trong khi siêu máy tính nhanh nhất thế giới của IBM –  chiếc Summit, sẽ cần tới 2,5 ngày để thực hiện điều này.

Vậy, tốc độ này mang ý nghĩa gì? Và máy tính lượng tử là gì? Sau đâu là một số điểm chính của công nghệ vô cùng phức tạp này:

Bits và Qubits

Lĩnh vực máy tính hiện nay xoay quanh kỹ thuật số. Điều này có nghĩa là, chúng bao gồm các đơn vị nhị phân được gọi là “bits”. Trong thực tiễn, các bits sẽ mang giá trị 0 hoặc 1, đại diện cho trạng thái điện cực trên các thiết bị bán dẫn và chip.

Lĩnh vực vật lý lượng tử lại phức tạp hơn rất nhiều. Trong đó, đơn vị được sử dụng sẽ là “qubits” (quantum bits – bits lượng tử), với các giá trị nằm từ 0 tới 1.

Có thể hiểu, bit kỹ thuật số như một đồng xu: ta có trạng thái sấp hoặc ngửa – tương đương với 0 và 1.

Trong khi đó, với qubit, đồng xu sẽ ở trạng thái quay, và vì vậy ta sẽ không thể biết được nó đang sấp hay ngửa.

Nghịch lý này đã được mô tả bởi Erwin Schrödinger vào năm 1935, thông qua minh họa một con mèo ở trong hộp kèm với một chất phóng xạ và một chất độc. Trong đó, ta sẽ không thể biết được con mèo còn sống hay đã chết ở một thời điểm cụ thể. Vì vậy, ta phải giả định rằng cả 2 trạng thái này đều đang được duy trì, và chỉ khi mở chiếc hộp, thì trạng thái này mới được xác định. Còn trong vật lý, trạng thái lượng tử sẽ kết thúc khi ta tiến hành phép đo.

Nếu xuất hiện 2 chiếc hộp, thì sẽ hình thành một trạng thái gọi là rối lượng tử.

Rối lượng tử

Đây là một hiện tượng khó có thể được giải thích chỉ với các logic vật lý thông thường. Albert Einstein từng mô tả trạng thái này là  “tác động ma quái từ xa” (spooky distant effect), trong đó 2 hệ thống lượng tử (VD: qubits) tương quan với trạng thái của chúng – tức chúng đồng dạng nhưng chỉ khi trạng thái chưa được xác định.

Quay trở lại với ví dụ đồng xu, điều này tương tự như ta có 2 đồng xu đang quay cùng một lúc. Trong trường hợp này, dù các đồng xu có cách nhau xa đến đâu, thì ta sẽ vẫn coi là chúng cùng trạng thái. Và khi một đồng xu ngừng quay, từ đó có trạng thái xác định, thì hiện tượng rối lượng tử sẽ ngừng lại.

Và điều tương tự cũng xảy ra với con mèo của Schrödinger: Nếu bạn có 2 con mèo trong 2 hộp, trạng thái rối lượng tử có thể xảy ra giữa chúng, nhưng chỉ khi cả 2 hộp còn đang đóng.

Năng lực máy tính tăng trưởng theo cấp số nhân

Qubit có thể đồng thời duy trì nhiều trạng thái, và do vậy có thể thực hiện nhiều phép tính số học hơn so với các bit truyền thống.

Như vậy, theo lý thuyết, khả năng xử lý của máy tính lượng tử sẽ tăng theo cấp số nhân theo số lượng qubit. Với đường tương quan dốc, ta cũng sẽ chỉ cần tăng một ít số lượng qubit để nhân gấp nhiều lần khả năng năng lực máy tính.

Tuy nhiên, thực tế lại có vài điểm khác biệt: trường hợp trên chỉ xảy ra nếu ta thỏa mãn được toàn bộ các điều kiện. Cụ thể, tỷ lệ lỗi phải là thấp nhất, phải không có vấn đề trong rối lượng tử giữa các qubit – chỉ vài sai lệch nho nhỏ có thể dẫn đến sự sụp đổ của năng lực máy tính.

“Đèn chùm” được nhúng hoàn toàn trong heli lỏng trong quá trình hoạt động.

Như vậy, thử thách của các nhà phát triển không chỉ dừng lại ở việc cho thêm qubit vào các con chip, mà còn nằm ở việc duy trì độ chính xác. Hiện nay, Google đã phát triển ra quy trình sửa chữa lỗi sai riêng, với độ chính xác đạt tới 99,99%.

Máy tính lượng tử trông như thế nào?

Một máy tính lượng tử có hình thức tương tự như một chiếc đèn chùm khổng lồ, được làm từ các dây và ống đồng. Cấu trúc của nó cũng được các chuyên gia gọi là cấu trúc đèn chùm.

Nhân của máy là một siêu chip với các qubit được sắp xếp theo dạng bàn cờ vua. Trong máy tính của Google là 54 qubit, trong đó có 1 qubit không hoạt động.

Các qubit trên chip là các vi tụ điện được làm từ niobium – một nguyên tố hóa học có độ cứng ngang với titan. Cực của các qubit này được làm để dao động, và không duy trì một trạng thái cố định nào. Ở giữa chúng là các khớp nối có thể điều chỉnh, được tạo thành bởi các ăng-ten phản ứng với vi sóng, được gọi là resonator.

Điều này có nghĩa là, con chip này được đặt trong một trường vi sóng điện từ, hoạt động trong điều kiện lạnh, thậm chí ở mức gần 0 độ K. Cụ thể, nhiệt độ với máy tính lượng tử của IBM là ở mức 0,015 Kelvin.

Để đạt được ngưỡng nhiệt này, máy tính sẽ được nhấn chìm trong một bể heli lỏng.

Máy tính lượng tử có hỗ trợ Linux không?

Đáng tiếc là không. Phần mềm của các máy tính lượng tử không hề giống với các máy tính kỹ thuật số nhị phân. Để kiểm tra hiệu quả hoạt động của các máy tính lượng tử, các chuyên gia tại Google đã phát triển ra một tác vụ thử ngẫu nhiên mới hoàn toàn, yêu cầu phải có khả năng xử lý vô cùng cao và phức tạp. Các máy tính thông thường hoàn toàn không có khả năng thực hiện tác vụ này.

Nhiều người hy vọng rằng, các máy tính lượng tử sẽ sớm có thể giải quyết cả những mã hóa phức tạp nhất, đồng thời chạy được các mô phỏng tốt hơn, ứng dụng được cho các hệ thống quản lý giao thông và dữ liệu lớn.

Nhưng ở hiện tại, điều này còn khá xa vời: Các máy tính lượng tử hiện nay vẫn chưa thực hiện được các tác vụ của siêu máy tính.

Nghiên cứu cơ bản

Hiện nay, nghiên cứu mới chỉ dừng ở việc chứng minh giả định là có hiệu lực. Nếu so sánh tiến trình hiện tại với tiến trình phát triển của ngành hàng không, thì ta vẫn còn đang ở chiếc máy bay thô sơ của anh em nhà Wright, và còn lâu mới đạt được những phi cơ chở khách như bây giờ.

Giới nghiên cứu vẫn chưa thể chứng minh tính ổn định về lâu dài của máy tính lượng tử. Ngoài ra, các máy tính này cũng theo một logic lập trình khác so với các máy tính truyền thống. Cụ thể, phần mềm cho chúng cần phải được thiết kế để tận dụng các năng lực lượng tử của máy. Bằng không, chúng là hoàn toàn vô dụng.

Ở khía cạnh thực tiễn hơn, điều này có nghĩa là, các nhà lập trình đang viết những phần mềm riêng cho thử nghiệm các máy tính lượng tử, tức phục vụ cho mục đích nghiên cứu về những thiết bị này. Tuy nhiên, các phần mềm này lại chưa giải quyết được những tác vụ thực tiễn, nằm ngoài yếu tố lượng tử – và có lẽ, chúng phải mất vài thập kỷ trước khi làm được điều này.

FPT TechInsight
Theo DW

Tin liên quan: