Điện toán lượng tử là gì? Công dụng và lợi ích của điện toán lượng tử

Khái niệm điện toán lượng tử là gì?

Điện toán lượng tử là một lĩnh vực đa ngành bao gồm có nhiều khía cạnh khác nhau của khoa học máy tính, lĩnh vực vật lý và toán học vận dụng cơ học lượng tử để thực hiện giải quyết các vấn đề khó khăn, phức tạp nhanh hơn nhiều lần so với máy tính cổ điển. Lĩnh vực điện toán lượng tử bao gồm những nghiên cứu chuyên sâu về phần cứng và phát triển về phần mềm, ứng dụng. 

Máy tính lượng tử có thể nghiên cứu, giải quyết được một số loại vấn đề phát sinh nhanh hơn so với máy tính cổ điển nhờ tận dụng được các hiệu ứng cơ học lượng tử, có thể kể đến như là trạng thái chồng chất và sự giao thoa lượng tử. Một số các ứng dụng đã cho thấy rằng máy tính lượng tử có thể xử lý tăng tốc độ xử lý như đã nêu ra bao gồm có máy học (ML), tối ưu hóa hệ thống và mô phỏng về hệ thống vật lý.

Những trường hợp được triển khai sử dụng sau cùng có thể là việc thực hiện tối ưu hóa danh mục trong lĩnh vực tài chính hoặc mô phỏng lại hệ thống hóa học, giúp giải quyết được rất nhiều vấn đề khác nhau mà hiện tại ngay cả các siêu máy tính mạnh nhất ở trên thị trường cũng không thể giải quyết được.

Tại sao chúng ta cần điện toán lượng tử?

Khi các nhà khoa học và kỹ sư gặp phải những vấn đề khó khăn, họ tìm đến siêu máy tính. Đây là những máy tính cổ điển rất lớn, thường có hàng nghìn lõi CPU và GPU cổ điển. Tuy nhiên, ngay cả các siêu máy tính cũng phải vật lộn để giải quyết một số loại vấn đề.

Nếu một siêu máy tính gặp khó khăn, đó có thể là do cỗ máy cổ điển lớn được yêu cầu giải một bài toán có mức độ phức tạp cao. Khi các máy tính cổ điển bị lỗi, thường là do độ phức tạp Các vấn đề phức tạp là các vấn đề có nhiều biến số tương tác theo những cách phức tạp. Mô hình hóa hành vi của từng nguyên tử trong một phân tử là một vấn đề phức tạp, bởi vì tất cả các electron khác nhau tương tác với nhau. Việc sắp xếp các tuyến đường lý tưởng cho vài trăm tàu chở dầu trong mạng lưới vận chuyển toàn cầu cũng rất phức tạp.

Công dụng và lợi ích của điện toán lượng tử

Điện toán lượng tử có thể đóng góp to lớn cho các lĩnh vực an ninh, tài chính, quân sự và tình báo, nghiên cứu và sản xuất thuốc, thiết kế hàng không vũ trụ, tiện ích (phản ứng tổng hợp hạt nhân), thiết kế polyme, học máy, trí tuệ nhân tạo (AI), tìm kiếm Dữ liệu lớn và kỹ thuật số chế tạo.

Máy tính lượng tử có thể được sử dụng để cải thiện việc chia sẻ thông tin an toàn. Hoặc để cải thiện radar và khả năng phát hiện tên lửa và máy bay của chúng. Một lĩnh vực khác mà điện toán lượng tử được kỳ vọng sẽ giúp ích là môi trường và giữ sạch nước bằng các cảm biến hóa học.

Dưới đây là một số lợi ích tiềm năng của điện toán lượng tử:

• Các tổ chức tài chính có thể sử dụng điện toán lượng tử để thiết kế các danh mục đầu tư hiệu quả và hiệu quả hơn cho các khách hàng bán lẻ và tổ chức. Họ có thể tập trung vào việc tạo ra các trình mô phỏng giao dịch tốt hơn và cải thiện khả năng phát hiện gian lận.
• Ngành chăm sóc sức khỏe có thể sử dụng điện toán lượng tử để phát triển các loại thuốc mới và chăm sóc y tế nhắm mục tiêu bảo vệ sức khỏe của bệnh nhân. Nó cũng có thể cung cấp năng lượng cho nghiên cứu DNA hiện địa tiên tiến hơn.
• Để bảo mật trực tuyến mạnh mẽ hơn, điện toán lượng tử có thể giúp thiết kế mã hóa dữ liệu tốt hơn và các cách sử dụng tín hiệu ánh sáng để phát hiện những kẻ xâm nhập vào hệ thống.
• Điện toán lượng tử có thể được sử dụng để thiết kế các hệ thống lập kế hoạch giao thông và thiết kế đường bay cho máy bay hiệu quả hơn, an toàn hơn.

Các tính năng của điện toán lượng tử

Sự chồng chập và liên đới là hai đặc điểm của vật lý lượng tử mà điện toán lượng tử dựa trên. Chúng trao quyền cho máy tính lượng tử để xử lý các hoạt động ở tốc độ cao hơn theo cấp số nhân so với máy tính thông thường và tiêu thụ ít năng lượng hơn nhiều.

Chồng chập

Theo IBM, điều đáng chú ý là những gì một qubit có thể làm hơn là những gì nó vốn có. Một qubit đặt thông tin lượng tử mà nó chứa vào trạng thái chồng chập. Điều này đề cập đến sự kết hợp của tất cả các cấu hình có thể có của qubit. "Các nhóm qubit chồng chập có thể tạo ra các không gian tính toán đa chiều, phức tạp. Các vấn đề phức tạp có thể được biểu diễn theo những cách mới trong những không gian này."

Liên đới

Sự liên đới là không thể thiếu đối với sức mạnh tính toán lượng tử. Các cặp qubit có thể được tạo ra để trở nên vướng víu. Điều này có nghĩa là hai qubit sau đó tồn tại ở một trạng thái duy nhất. Ở trạng thái như vậy, việc thay đổi một qubit ảnh hưởng trực tiếp đến qubit kia theo cách có thể dự đoán được.

Các thuật toán lượng tử được thiết kế để tận dụng mối quan hệ này để giải quyết các vấn đề phức tạp. Trong khi nhân đôi số lượng bit trong một máy tính cổ điển sẽ tăng gấp đôi sức mạnh xử lý của nó, việc thêm qubit dẫn đến sự gia tăng theo cấp số nhân về sức mạnh và khả năng tính toán.

Mất liên kết

Sự phân rã xảy ra khi hành vi lượng tử của qubit phân rã. Trạng thái lượng tử có thể bị xáo trộn ngay lập tức do rung động hoặc thay đổi nhiệt độ. Điều này có thể khiến các qubit rơi ra khỏi trạng thái chồng chất và gây ra lỗi trong quá trình tính toán. Ví dụ, điều quan trọng là các qubit phải được bảo vệ khỏi sự can thiệp như vậy bằng tủ lạnh siêu lạnh, lớp cách nhiệt và buồng chân không.

Tại sao điện toán lượng tử nhanh hơn

Hãy xem ví dụ cho thấy điện toán lượng tử có thể thành công như thế nào khi máy tính cổ điển thất bại:

Một siêu máy tính có thể rất giỏi trong các nhiệm vụ khó khăn như sắp xếp thông qua một cơ sở dữ liệu lớn về các chuỗi protein, nhưng nó sẽ gặp khó khăn trong việc xem các mẫu tinh vi trong dữ liệu đó để xác định cách các protein đó hoạt động.

Protein là những chuỗi axit amin dài trở thành những cỗ máy sinh học hữu ích khi chúng gấp lại thành những hình dạng phức tạp. Tìm hiểu xem protein sẽ gấp nếp như thế nào là một vấn đề có ý nghĩa quan trọng đối với sinh học và y học.

Một siêu máy tính cổ điển có thể cố gắng gấp một protein bằng vũ lực, tận dụng nhiều bộ xử lý của nó để kiểm tra mọi cách có thể bẻ cong chuỗi hóa học trước khi đưa ra câu trả lời. Khi các chuỗi protein dài hơn và phức tạp hơn, siêu máy tính sẽ ngừng hoạt động. Về mặt lý thuyết, một chuỗi gồm 100 axit amin có thể gấp lại theo bất kỳ cách nào trong số hàng nghìn tỷ cách. Không máy tính nào có bộ nhớ làm việc để xử lý tất cả các kết hợp có thể có của các nếp gấp riêng lẻ.

Các thuật toán lượng tử áp dụng một cách tiếp cận mới cho các loại vấn đề phức tạp này - tạo ra các không gian đa chiều nơi xuất hiện các mẫu liên kết các điểm dữ liệu riêng lẻ. Trong trường hợp xảy ra sự cố gấp protein, mô hình đó có thể là sự kết hợp của các nếp gấp cần ít năng lượng nhất để tạo ra. Sự kết hợp của các nếp gấp là giải pháp cho vấn đề.

Các máy tính cổ điển không thể tạo ra các không gian tính toán này, vì vậy chúng không thể tìm thấy các mẫu như vậy. Trong trường hợp protein, đã có những thuật toán lượng tử ban đầu có thể tìm ra các kiểu gấp theo những cách hoàn toàn mới, hiệu quả hơn mà không cần các quy trình kiểm tra tốn nhiều công sức của máy tính cổ điển. Khi phần cứng lượng tử mở rộng quy mô và các thuật toán này tiến bộ, chúng có thể giải quyết các vấn đề gấp quá phức tạp đối với bất kỳ siêu máy tính nào.

Máy tính lượng tử so với máy tính cổ điển

Máy tính lượng tử có cấu trúc cơ bản hơn máy tính cổ điển. Họ không có bộ nhớ hoặc bộ xử lý. Tất cả những gì một máy tính lượng tử sử dụng là một tập hợp các qubit siêu dẫn.

Máy tính lượng tử và máy tính cổ điển xử lý thông tin khác nhau. Một máy tính lượng tử sử dụng qubit để chạy các thuật toán lượng tử đa chiều. Sức mạnh xử lý của chúng tăng theo cấp số nhân khi các qubit được thêm vào. Một bộ xử lý cổ điển sử dụng các bit để vận hành các chương trình khác nhau. Sức mạnh của chúng tăng tuyến tính khi thêm nhiều bit hơn. Máy tính cổ điển có sức mạnh tính toán ít hơn nhiều.

Máy tính cổ điển là tốt nhất cho các công việc hàng ngày và có tỷ lệ lỗi thấp. Máy tính lượng tử lý tưởng cho những nhiệm vụ ở mức độ cao hơn, chẳng hạn như chạy mô phỏng, phân tích dữ liệu (chẳng hạn như thử nghiệm hóa chất hoặc thuốc), tạo ra pin tiết kiệm năng lượng. Chúng cũng có thể có tỷ lệ lỗi cao.

Máy tính cổ điển không cần chăm sóc đặc biệt. Họ có thể sử dụng một chiếc quạt làm mát bên trong cơ bản để tránh quá nóng. Bộ xử lý lượng tử cần được bảo vệ khỏi những rung động nhỏ nhất và phải được giữ ở nhiệt độ cực lạnh. Chất siêu lỏng siêu lạnh phải được sử dụng cho mục đích đó.

Máy tính lượng tử đắt hơn và khó chế tạo hơn máy tính cổ điển. Điều này có thể gây ra sự khó khăn trong việc đầu tư vào hệ thống.

Với nội dung nói trên bạn đã có thể hiểu thêm về điện toán lượng tử là gì cũng như những ứng dụng của chúng. Máy tính lượng tử có thể cho phép triển khai những phép tính phức tạp, phục vụ cho nhiều công việc chuyên môn.