Điện toán lượng tử sử dụng cơ học lượng tử để xử lý lượng thông tin khổng lồ với tốc độ cao không thể tin được. Máy tính lượng tử phải mất vài phút đến vài giờ để giải quyết một vấn đề mà máy tính để bàn sẽ phải mất nhiều năm hoặc nhiều thập kỷ mới có thể giải quyết được.
Điện toán lượng tử đang tạo tiền đề cho một thế hệ siêu máy tính mới. Các máy tính lượng tử này dự kiến sẽ vượt trội hơn công nghệ hiện có trong các lĩnh vực như mô hình hóa, hậu cần, phân tích xu hướng, mật mã và trí tuệ nhân tạo.
Giải thích về tính toán lượng tử
Ý tưởng về tính toán lượng tử được Richard Feynman và Yuri Manin tưởng tượng lần đầu tiên vào đầu những năm 1980. Feynman và Manin tin rằng máy tính lượng tử có thể mô phỏng dữ liệu theo những cách mà máy tính để bàn không làm được. Mãi đến cuối những năm 1990, các nhà nghiên cứu mới chế tạo ra những chiếc máy tính lượng tử đầu tiên.
Tính toán lượng tử sử dụng cơ học lượng tử, chẳng hạn như chồng chất và vướng víu, để thực hiện các phép tính. Cơ học lượng tử là một nhánh của vật lý nghiên cứu những thứ cực kỳ nhỏ, cô lập hoặc lạnh.
Đơn vị xử lý chính của tính toán lượng tử là các bit lượng tử hoặc qubit. Qubit được tạo ra trong máy tính lượng tử bằng cách sử dụng các đặc tính cơ lượng tử của các nguyên tử đơn lẻ, các hạt dưới nguyên tử hoặc các mạch điện siêu dẫn.
Qubits tương tự như các bit được sử dụng bởi máy tính để bàn ở chỗ các qubit có thể ở trạng thái lượng tử 1 hoặc 0. Các qubit khác nhau ở chỗ chúng cũng có thể ở trạng thái chồng chất 1 và 0, nghĩa là các qubit có thể biểu thị đồng thời cả 1 và 0.
Khi các qubit ở trạng thái chồng chất, hai trạng thái lượng tử được cộng lại với nhau và dẫn đến một trạng thái lượng tử khác. Chồng chất có nghĩa là nhiều phép tính được xử lý đồng thời. Vì vậy, hai qubit có thể biểu diễn đồng thời bốn số. Các máy tính thông thường chỉ xử lý các bit ở một trong hai trạng thái có thể, 1 hoặc 0 và các phép tính được xử lý một lúc.
Máy tính lượng tử cũng sử dụng sự vướng víu để xử lý qubit. Khi một qubit bị vướng vào, trạng thái của qubit đó phụ thuộc vào trạng thái của qubit khác để một qubit tiết lộ trạng thái của cặp không được quan sát của nó.
Bộ xử lý lượng tử là cốt lõi của máy tính
Tạo qubit là một nhiệm vụ khó khăn. Cần một môi trường đông lạnh để duy trì một qubit trong bất kỳ khoảng thời gian nào. Các vật liệu siêu dẫn cần thiết để tạo ra qubit phải được làm nguội đến không độ tuyệt đối (khoảng âm 272 độ C). Các qubit cũng phải được che chắn khỏi tiếng ồn xung quanh để giảm lỗi trong tính toán.
Bên trong máy tính lượng tử trông giống như một chiếc đèn chùm vàng lạ mắt. Và, vâng, nó được làm bằng vàng thật. Đó là một tủ lạnh pha loãng giúp làm mát các chip lượng tử để máy tính có thể tạo ra chồng chất và vướng vào các qubit mà không làm mất bất kỳ thông tin nào.
Máy tính lượng tử tạo ra các qubit này từ bất kỳ vật liệu nào hiển thị các đặc tính cơ lượng tử có thể điều khiển được. Các dự án điện toán lượng tử tạo ra các qubit theo nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như vòng dây siêu dẫn, quay các electron và bẫy các ion hoặc xung photon. Những qubit này chỉ tồn tại ở nhiệt độ dưới mức đóng băng được tạo ra trong tủ lạnh pha loãng.
Ngôn ngữ Lập trình Điện toán Lượng tử
Thuật toán lượng tử phân tích dữ liệu và đưa ra mô phỏng dựa trên dữ liệu. Các thuật toán này được viết bằng ngôn ngữ lập trình tập trung vào lượng tử. Một số ngôn ngữ lượng tử đã được phát triển bởi các nhà nghiên cứu và các công ty công nghệ.
Đây là một số ngôn ngữ lập trình máy tính lượng tử:
- QISKit: Bộ Phần mềm Thông tin Lượng tử của IBM là một thư viện đầy đủ để viết, mô phỏng và chạy các chương trình lượng tử.
- Q: Ngôn ngữ lập trình có trong Bộ phát triển lượng tử của Microsoft. Bộ công cụ phát triển bao gồm một trình mô phỏng lượng tử và các thư viện thuật toán.
- Cirq: Một ngôn ngữ lượng tử do Google phát triển sử dụng thư viện python để viết mạch và chạy các mạch này trong máy tính lượng tử và trình mô phỏng.
- Forest: Môi trường dành cho nhà phát triển do Rigetti Computing tạo ra để viết và chạy các chương trình lượng tử.
Sử dụng cho Máy tính Lượng tử
Máy tính lượng tử thực sự đã xuất hiện trong vài năm gần đây và chỉ một số công ty công nghệ lớn có máy tính lượng tử. Một số công ty công nghệ này bao gồm Google, IBM, Intel và Microsoft. Các nhà lãnh đạo công nghệ này đang làm việc với các nhà sản xuất, công ty dịch vụ tài chính và công ty công nghệ sinh học để giải quyết nhiều vấn đề khác nhau.
Sự sẵn có của các dịch vụ máy tính lượng tử và sự tiến bộ trong sức mạnh tính toán mang đến cho các nhà nghiên cứu và nhà khoa học những công cụ mới để tìm ra giải pháp cho những vấn đề mà trước đây không thể giải quyết được. Điện toán lượng tử đã giảm thời gian và tài nguyên cần thiết để phân tích lượng dữ liệu đáng kinh ngạc, tạo mô phỏng về dữ liệu đó, phát triển các giải pháp và tạo ra các công nghệ mới khắc phục sự cố.
Doanh nghiệp và ngành công nghiệp sử dụng điện toán lượng tử để khám phá những cách thức kinh doanh mới. Dưới đây là một số dự án điện toán lượng tử có thể mang lại lợi ích cho doanh nghiệp và xã hội:
- Ngành hàng không vũ trụ sử dụng điện toán lượng tử để nghiên cứu các cách tốt hơn để quản lý không lưu.
- Các công ty tài chính và đầu tư hy vọng sử dụng điện toán lượng tử để phân tích rủi ro và lợi nhuận của các khoản đầu tư tài chính, tối ưu hóa chiến lược danh mục đầu tư và giải quyết các chuyển đổi tài chính.
- Các nhà sản xuất đang áp dụng điện toán lượng tử để cải thiện chuỗi cung ứng của họ, tạo ra hiệu quả trong quy trình sản xuất và phát triển các sản phẩm mới.
- Các công ty công nghệ sinh học đang tìm cách để đẩy nhanh việc khám phá ra các loại thuốc mới.
Tìm Máy tính Lượng tử và Thử nghiệm với Máy tính Lượng tử
Một số nhà khoa học máy tính phát triển các phương pháp mô phỏng tính toán lượng tử trên máy tính để bàn.
Nhiều công ty công nghệ lớn nhất thế giới cung cấp dịch vụ lượng tử. Khi được ghép nối với máy tính để bàn và hệ thống, các dịch vụ lượng tử này tạo ra một môi trường nơi xử lý lượng tử-với máy tính để bàn-giải quyết các vấn đề phức tạp.
- IBM cung cấp môi trường IBM Q với quyền truy cập vào một số máy tính lượng tử thực và mô phỏng mà bạn có thể sử dụng thông qua đám mây.
- Alibaba Cloud cung cấp nền tảng đám mây điện toán lượng tử, nơi bạn có thể chạy và kiểm tra các mã lượng tử được xây dựng tùy chỉnh.
- Microsoft cung cấp bộ công cụ phát triển lượng tử bao gồm ngôn ngữ lập trình Q, trình mô phỏng lượng tử và thư viện phát triển mã sẵn sàng sử dụng.
- Rigetti có nền tảng đám mây đầu tiên lượng tử hiện đang trong giai đoạn thử nghiệm. Nền tảng của họ được định cấu hình trước với Forest SDK của họ.
Tin tức về máy tính lượng tử trong tương lai
Ước mơ là máy tính lượng tử sẽ giải quyết các vấn đề hiện tại quá lớn và quá phức tạp để giải quyết bằng phần cứng tiêu chuẩn - đặc biệt là để mô hình hóa môi trường và ngăn chặn dịch bệnh.
Máy tính để bàn không có dung lượng để chạy các phép tính phức tạp này và thực hiện lượng phân tích dữ liệu đáng kinh ngạc này. Điện toán lượng tử thu thập các bộ sưu tập dữ liệu lớn lớn nhất và xử lý thông tin này trong một phần nhỏ thời gian so với máy tính để bàn. Dữ liệu mà máy tính để bàn sẽ mất vài năm để xử lý và phân tích chỉ mất vài ngày đối với máy tính lượng tử.
Tính toán lượng tử vẫn còn sơ khai, nhưng nó có tiềm năng giải quyết những vấn đề phức tạp nhất của thế giới với tốc độ ánh sáng. Ai cũng có thể đoán được rằng máy tính lượng tử sẽ phát triển đến đâu và tính khả dụng của máy tính lượng tử.
