Điện toán lượng tử là gì và tầm quan trọng của nó đối với con người?

Có thể bạn không biết, nhưng các nhà khoa học tin rằng, điện toán lượng tử (quantum computing) chính là chìa khóa để con người bước vào một kỉ nguyên công nghệ mới.

Theo Forbes, trong thời gian qua, công nghệ đã phát triển với tốc độ rất nhanh – những chiếc điện thoại thông minh mà bạn để ở trong túi quần có sức mạnh tương đương với những máy tính của quân đội cách đây 50 năm, và kích cỡ của chúng thì to bằng cả một gian phòng.

Tuy nhiên, ngay cả với những thành tựu mà chúng ta đã đạt được trong công nghệ và máy tính cá nhân truyền thống [là chiếc máy tính mà bạn đang sử dụng] kể từ khi cuộc cách mạng máy tính bắt đầu, vẫn còn những vấn đề mà các máy tính hiện thời không thể giải quyết được. Nhiều người cho rằng, máy tính lượng tử chính là câu trả lời.

Những giới hạn của máy tính cổ điển

Phần lớn các máy tính hiện nay đều bị giới hạn chỉ có thể làm được một việc trong một khoảng thời gian nhất định, nhưng máy tính lượng tử thì lại khác.

Giờ đây, khi chúng ta đã có thể tạo ra các công tắc (switch) và các đơn vị nhớ của máy tính, hay còn gọi là bóng bán dẫn (transitor), có kích cỡ nhỏ như một nguyên tử, chúng ta cần phải tìm ra một cách mới để xây dựng máy tính. Mặc dù một chiếc máy tính truyền thống hiện nay có thể giúp chúng ta làm được nhiều thứ, nhưng nó thực sự chỉ là một cỗ máy hoạt động dựa vào tập lệnh dạng bit, với giá trị 0 và 1 đại diện cho hai trạng thái là tắt và mở trong mạch điện tử. Nhưng các máy tính lượng tử không được sinh ra với mục đích thay thế máy tính cổ điển, mà chúng được kì vọng để trở thành một công cụ khác giúp chúng ta giải quyết các vấn đề phức tạp mà vượt quá khả năng của máy tính hiện nay (PC).

Về cơ bản, khi con người đang đi vào kỉ nguyên "big data" (thuật ngữ dùng để chỉ một tập hợp dữ liệu rất lớn và phức tạp mà các ứng dụng xử lí dữ liệu truyền thống không xử lí được), chúng ta sẽ cần có thêm nhiều bóng bán dẫn để có thể giải quyết được công việc. Phần lớn các máy tính hiện nay đều bị giới hạn chỉ có thể làm được một việc trong một khoảng thời gian nhất định, nên vấn đề càng phức tạp thì nó càng tốn thời gian để giải quyết. Một vấn đề mà đòi hỏi vượt quá khả năng của các máy tính ngày nay được gọi là "intracable problem". Máy tính lượng tử sẽ được giao trọng trách để giải quyết các vấn đề này.

Sức mạnh của máy tính lượng tử

Khi bạn bước vào thế giới của hạt nguyên tử và hạt hạ nguyên tử (các hạt cấu thành nên nguyên tử), mọi thứ sẽ bắt đầu "hành xử" theo một cách khác thường, phi logic. Trên thực tế, các hạt này có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc. Đó là một khả năng mà các máy tính lượng tử tận dụng.

Những gì mà chúng ta thấy là một chuỗi các bit được máy tính xử lí.

Thay vì dùng bit như các máy tính thông thường, máy tính lượng tử sẽ sử dụng các bit lượng tử - gọi là qubit. Bạn hãy thử hình dung một khối hình cầu. Một bit chỉ có thể ở một trong hai cực của khối đó, còn một qubit thì có thể tồn tại ở bất kì điểm nào trên khối hình cầu. Điều này có nghĩa là một máy tính sử dụng qubit sẽ có thể lưu trữ một lượng lớn thông tin và tiêu tốn ít năng lượng hơn so với máy tính cổ điển.

Bằng cách đi vào lĩnh vực điện toán lượng tử, nơi các định luật vật lý không còn đúng nữa, chúng ta sẽ có thể tạo ra các bộ vi xử lý nhanh hơn đáng kể (khoảng hơn 1 triệu lần) so với những gì mà chúng ta có ngày nay. Nghe có vẻ rất tuyệt vời, nhưng các nhà khoa học vẫn đang gặp rất nhiều khó khăn vì điện toán lượng tử vô cùng phức tạp.

Áp lực đang đè nặng lên ngành công nghiệp máy tính, khi họ cần phải tìm cách để khiến việc tính toán trở nên hiệu quả hơn, vì chúng ta đã đạt đến đỉnh giới hạn về hiệu suất của các phương pháp truyền thống. Theo báo cáo của Hiệp hội Công nghiệp Bán dẫn (Semiconductor Industry Association – SIA), chúng ta sẽ không còn khả năng cung cấp năng lượng cho máy móc trên toàn thế giới nữa. Đó chính là lí do vì sao ngành công nghiệp máy tính đang chạy đua với thời gian để đưa các máy tính lượng tử vào hoạt động trên quy mô thương mại. Tuy khó khăn, nhưng thành quả đạt được sẽ vô cùng xứng đáng.

Thế giới sẽ đổi thay ra sao với điện toán lượng tử?

Máy tính lượng tử D-Wave 2X do Google chế tạo.

Rất khó để dự đoán việc điện toán lượng tử sẽ thay đổi thế giới của chúng ta ra sao, đơn giản vì chúng sẽ được áp dụng vào mọi ngành công nghiệp. Chúng ta đang bước vào một lĩnh vực vật lý hoàn toàn mới và sẽ có những thứ mà chúng ta chưa bao giờ nghĩ đến. Nhưng nếu bạn cân nhắc việc máy tính cổ điển đã "cách mạng hóa" thế giới của chúng ta như thế nào, chỉ với bit và hai lựa chọn 0 hoặc 1, bạn sẽ có thể tưởng tượng ra được sức mạnh phi thường ở trong tay, khi các qubit có thể thực hiện hàng triệu phép tính cùng một lúc.

Những gì mà chúng ta đã biết là điện toán lượng tử sẽ có sức mạnh khủng khiếp, với khả năng thay đổi cách mà chúng ta kinh doanh, phát minh ra các loại thuốc và các chất mới, bảo vệ dữ liệu, khám phá vũ trụ và dự báo sự biến đổi của khí hậu. Không phải ngẫu nhiên mà các công ty có sức ảnh hưởng lớn nhất trên thế giới như IBM, Google, hay chính phủ của các quốc gia đang đầu tư tiền của và nhân lực vào công nghệ điện toán lượng tử. Họ đều đang hi vọng rằng điện toán lượng tử sẽ thay đổi thế giới của chúng ta, vì nó cho phép chúng ta giải quyết các vấn đề và có những trải nghiệm mới, những điều mà với điều kiện khoa học kĩ thuật hiện tại là bất khả thi.