Được cho là sẽ thay đổi hoàn toàn quy tắc của máy tính, các máy tính lượng tử đang được kỳ vọng sẽ mang lại khả năng tính toán gấp hàng triệu lần máy tính thông thường.

(ảnh: UCSB)

Trong thời gian vừa qua, các công ty như IBM, Google, Microsoft, D-wave đều công bố về các bước tiến mới đối với máy tính lượng tử, đặc biệt IBM đã bắt đầu đưa máy tính lượng tử 5 qubit lên “đám mây” để người dùng trên thế giới có thể làm quen và thử nghiệm sức mạnh của chiếc máy tính. Bên cạnh đó, các ngôn ngữ lập trình lượng tử và nền tảng phát triển ứng dụng phần mềm dựa trên máy tính lượng tử cũng được các công ty đặc biệt chú ý.

Tuy vậy, cũng giống như cơ học lượng tử, máy tính lượng tử vẫn là thứ rất khó hiểu và mơ hồ đối với mọi người. Bài viết này sẽ giới thiệu cho bạn những thông tin cơ bản về máy tính lượng tử và khả năng ứng dụng của chúng.

>> Phần 1: Máy tính lượng tử là gì và vì sao nó có khả năng tính toán siêu đẳng?

Phần 2: Tiềm năng và thách thức đối với những mẫu máy tính lượng tử đầu tiên

Sự khác biệt giữa máy tính thông thường và máy tính lượng tử

Để cộng 2 số nhị phân 1 bit, máy tính thông thường sử dụng các cổng logic được tạo từ các đèn bán dẫn (transitor), trong trường hợp này là cổng XOR và cổng AND. Cổng XOR được sử dụng để cộng 2 bit nhỏ nhất (đầu ra S), cổng AND để đưa ra giá trị nhớ cho bit tiếp theo (cổng C). Sơ đồ mạch logic phép cộng 1 bit này như hình sau, phép tính cho kết quả với 1 xung nhịp.

Mạch logic phép cộng 2 số 1 bit của máy tính thông thường (ảnh: youtube, bổ sung bởi TTVN)

Để cộng 2 số nhị phân 8 bit, người ta mắc các 8 mạch logic 1 bit nối tiếp nhau. Cổng nhớ C của bộ cộng 1 bit này sẽ là đầu vào của bộ cộng 1 bit tiếp theo. Máy tính cần thực hiện tuần tự từ bit có giá trị nhỏ nhất đến bit có giá trị lớn nhất. Với 2 số 8 bit có giá trị cho trước, ở trường hợp xấu nhất, giá trị đầu vào khiến cho tất cả các phép cộng đơn lẻ đều có nhớ, thì cần đến 8 xung nhịp mới tạo ra được kết quả cộng.

Mạch logic phép cộng 2 số 8 bit của máy tính thông thường (ảnh: youtube, bổ sung bởi TTVN)

Các bit đầu ra sẽ là kết quả kết hợp của 2 số 8 bit đầu vào. Có bao nhiêu khả năng kết hợp đầu vào với 2 số 8 bit? Đó là 216 = 65.536 trường hợp đầu vào khác nhau. Như vậy, 1 máy tính 8 bit thông thường chỉ xử lý được 1 trong 65.536 đầu vào tại một thời điểm và cần 8 xung nhịp mới cho ra được kết quả tính toán.

Như đã đề cập tại Phần 1, do đặc tính chồng chập lượng tử, 1 qubit có thể thể hiện cả 2 trạng thái 1 và 0, như vậy với phép cộng 2 số 8 bit, 16 qubit đầu vào sẽ cho ra 216 = 65.536 trạng thái đồng thời. Các thuật toán lượng tử cho phép máy tính lượng tử tính toán đồng thời 65.536 trạng thái đầu vào của phép cộng 2 số 8 bit và ra kết quả chỉ trong 1 vài xung nhịp.

Một ví dụ để dễ hình dung hơn sự khác biệt giữa 2 loại máy tính: 1 căn phòng có 1 cửa vào và chỉ 1 cửa ra thật, nhưng giữa lại có rất nhiều đường dẫn đến các lối cụt. Để tìm được đường đến cửa ra, máy tính thông thường phải thử lần lượt tất cả các đường cho đến khi tìm được. Trong khi đó, máy tính lượng tử sẽ đồng thời thử hết tất cả các đường và tìm ra đáp án rất nhanh.

Sự khác biệt về khả năng tính toán của máy tính thông thường và máy tính lượng tử (ảnh: youtube, bổ sung bởi TTVN)

Máy tính lượng tử có thể ứng dụng ở đâu?  

Với cách thực hiện các phép tính hoàn toàn khác biệt, máy tính lượng tử mang lại khả năng tính toán nhanh hơn rất nhiều lần so với máy tính thông thường trong các bài toán phức tạp. Khả năng tính toán của các máy tính lượng tử tăng theo cấp số mũ khi tăng thêm các bit lượng tử.

Ví dụ, máy tính thông thường mất trung bình N/2 phép tính để tìm kiếm 1 phần tử trong cơ sở dữ liệu chưa được sắp xếp có N phần tử. Tuy nhiên, máy tính lượng tử chỉ cần √N phép tính khi sử dụng thuật toán lượng tử Grover. Nếu N bằng một nghìn tỷ, một máy tính lượng tử sẽ xử lí nhanh hơn máy tính thông thường một triệu lần.

Một ví dụ khác, thuật toán mã hóa công khai có tên RSA đang được ứng dụng rộng rãi trong ngân hàng, giao dịch trực tuyến và rất nhiều ứng dụng an ninh mạng khác. Sự an toàn của RSA nằm ở chỗ máy tính truyền thống không thể phân tích nhanh một số nửa nguyên tố (semiprime) lớn n thành tích của 2 số nguyên tố lớn p và q (n = p q). RSA sẽ trở nên vô nghĩa khi máy tính lượng tử được sử dụng rộng rãi. Bởi vì để phá mã RSA, nhờ thuật toán lượng tử Shor, máy tính lượng tử chỉ cần tính log(N) phép tính, với N là số phép tính mà một máy tính truyền thống cần để phá mã RSA.

Bên cạch các bài toán số học phức tạp, người ta hy vọng ứng dụng máy tính lượng tử trong các bài toán mô phỏng hóa học để tìm ra công thức thuốc, mô phỏng gen, hỗ trợ công tác vận chuyển hàng hóa trong dịp mua sắm lớn, mô phỏng các rủi ro tài chính…

Những máy tính lượng tử đầu tiên và cuộc đua giữa các ông lớn

Tháng 12/2015, D-Wave Systems, hãng sản xuất máy tính lượng tử của Canada đã công bố hợp tác với NASA và Google trong việc xây dựng các phòng thí nghiệm máy tính lượng tử. Các mẫu máy tính lượng tử của D-Way Systems đã được NASA và Google mua với giá hàng chục triệu USD.

>> Cuộc ‘đổ xô tìm vàng’ trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo

Tháng 5/2017, IBM công bố đã chế tạo thành công máy tính lượng tử 17 qubit. Vào tháng 11/2017, hãng tiếp tục công bố ra mắt phiên bản mẫu máy tính 50 qubit. Tháng 10/2017, Intel cũng công bố chính thức sản xuất máy chip máy tính lượng tử 17 qubit. Không chịu thua kém, Google cũng cho ra đời máy tính lượng tử 20 qubit của riêng mình vào tháng 6/2017 và hy vọng ra mắt máy tính 49 qubit vào dịp cuối năm 2017.

Mặc dù đi chậm hơn các đối thủ, nhưng Microsoft vẫn hy vọng có thể phát triển các con chip lượng tử theo mô hình topo qubits – một dạng ổn định hơn của bit lượng tử. Topo qubits được cho là có khả năng hồi phục tốt hơn bit lượng tử thông thường.

Máy tính lượng tử của IBM (ảnh: IBM research)

Bên cạnh đó, IBM đã đưa máy tính lượng tử 5 qubit của mình lên đám mây để các nhà nghiên cứu và lập trình viên trên thế giới làm quen dần với các khái niệm và quy tắc lập trình lượng tử.

Microsoft cũng đang phát triển một ngôn ngữ lập trình bit lượng tử, dự kiến ra mắt vào cuối năm nay, trong đó hãng sẽ cung cấp các thư viện và hướng dẫn cụ thể để các lập trình viên có thể làm quen với việc lập trình trên hệ thống lượng tử.

D-Way Systems cũng đã phát hành bộ công cụ mã nguồn mở cho hệ thống máy tính lượng tử của mình nhằm giúp cho đối tác và khách hàng có thể phát triển các ứng dụng tính toán lượng tử dễ dàng và nhanh chóng.

Những khó khăn cần phải vượt qua

Tuy có nhiều tiềm năng và tốc độ phát triển rất nhanh, trình độ phát triển máy tính lượng tử hiện nay mới chỉ có thể so sánh với máy tính giai đoạn năm 50 của thế kỷ 20, khi mà một chiếc máy tính sử dụng đèn chân không có kích thước cả gian nhà. Máy tính lượng tử 17 qubit của IBM hiện nay có tốc độ tính toán thua các máy tính thông thường. Phiên bản mẫu máy tính 50 qubit sắp phát hành chính thức của IBM được hy vọng có thể tính toán nhanh hơn máy tính thông thường.

Thử thách đối với việc xây dựng hệ thống máy tính lượng tử cỡ lớn là ở khả năng duy trì ổn định các các bit lượng tử ở trạng thái chồng chập, trước khi chúng suy sụp về các giá trị 0 và 1 cơ bản – một việc vô cùng khó khăn. Hiện nay, tất cả các máy tính lượng tử đều phải sử dụng các hệ thống làm lạnh chuyên dụng để giữ các bit lượng tử được hoạt động ổn định ở gần nhiệt độ 0 tuyệt đối (00K hay -2730C).

Các kỹ sư của IBM đang lắp đặt thiết bị làm lạnh cho máy tính lượng tử (ảnh: IBM research)

Hệ thống máy tính 5 qubit của IBM chỉ duy trì trạng thái chồng chập được 47-50 micro giây, cỗ máy 20 qubit cũng mới chỉ duy trì được ở mức 90 micro giây. Bên cạnh đó, việc tăng thêm các qubit cũng khiến cho chúng hoạt động không ổn định và dễ sai sót hơn do sai số trong việc đo lường các trạng thái tăng lên.

Tuy vậy, với sự phát triển nhanh của công nghệ, các hãng công nghệ tin rằng các khó khăn sẽ dần được khắc phục và khả năng tính toán của máy tính lượng tử sẽ vượt máy tính thông thường vào năm 2018.

Thiện Tâm tổng hợp

Xem thêm: