Từ "lượng tử" luôn khiến chúng ta tưởng tượng tới một thứ gì đó rất cao xa. Nghe nhiều cũng nhàm, nhưng không thể từ chối những lợi thế mà "máy tính lượng tử" có thể mang lại cho chúng ta. Sự thành công của máy tính lượng tử sẽ đánh dấu mốc kỉ nguyên công nghệ của nhân loại sang một trang sử mới.
Tính toán lượng tử là công nghệ dựa trên những yếu tố cơ bản của thuyết lượng tử, giải thích bản chất của năng lượng và vật chất ở mức nguyên tử và hạ nguyên tử. Thuyết này tồn tại chủ yếu dựa trên hai hiện tượng cơ học lượng tử chưa có lời giải thích cặn kẽ, đó là rối lượng tử - entanglement và trạng thái chồng chất – superposition.
Giải thích qua: rối lượng tử là trạng thái lượng tử của hai hai nhiều vật thể, có khả năng liên quan chặt chẽ với nhau bất kể khoảng cách xa thế nào, dù ngay cạnh như hay hai đầu vũ trụ; trạng thái chồng chất là nhiều trạng thái lượng tử được gộp lại thành một trạng thái khác.
Năm 1930, nhà khoa học đại tài Erwin Schrödinger đề ra một thử nghiệm tưởng tượng liên quan tới một con mèo, ít phóng xạ đều được đặt trong một hộp kín. Trong không gian hẹp và tối tăm, sẽ chẳng ai biết con mèo nhiễm phóng xạ đã chết chưa, cho tới khi mở cái hộp ra. Kết luận rằng con mèo vừa sống, lại vừa chết. Đó chính là tiền để xây dựng trạng thái chồng chất, từ đó sinh ra qubit.
Trong máy tính thông thường, đơn vị bit sẽ được biểu diễn dưới dạng 0 và 1, qubit có thể biểu diễn dưới cả 3 dạng, 0, 1 và tổng hợp của 0 và 1. Đó chính là trạng thái chồng chất. Đến khi đo đạc (tương đương với hành động mở hộp kiểm tra trạng thái con mèo), ta mới biết một qubit có giá trị gì.
Siêu máy tính với chỉ 0 và 1 đã có tốc xử lý nhanh kinh hoàng, dung lượng khổng lồ. Bạn đã có thể tưởng tượng ra nếu đơn vị tính mà thêm một trạng thái nữa (0; 1; gộp cả 0 và 1), máy tính lượng tử sẽ vô địch trong khoản lưu trữ và tính toán.
Trạng thái còn lại, rối lượng tử, có cha đẻ là thiên tài Albert Einstein. Xưa kia, Einstein gọi hiện tượng này là "hoạt động kì quái diễn ra ở phía xa": dường như các hạt electron có liên hệ với nhau sở hữu khả năng liên lạc nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng!
Trong một hệ lượng tử, trạng thái các hạt rối với nhau đều như nhau, bất kì khoảng cách của chúng có xa thế nào, chúng vẫn là một phần của hệ lượng tử.
Kỉ lục hiện tại của khoảng cách rối lượng tử mà ta đo đạc được là 1.200 kilomet. Về cơ bản, rối lượng tử chỉ ra rằng giá trị toàn bộ hệ thống lượng tử lớn hơn tổng từng thành phần lượng tử có trong nó.
Nếu các bạn thấy khó hiểu, thì hãy an lòng mà biết rằng: khi luận ra thuyết lượng tử của mình, Schrödinger đã xin lỗi tất cả mọi người rằng:
Nhưng nếu các bạn vẫn hiểu được ít nhiều giá trị khổng lồ của thế giới lượng tử, các bạn cũng an tâm khi hay tin rất nhiều doanh nghiệp, các gã khổng lồ công nghệ đều tin tưởng lượng tử là tương lai.
Họ đầu tư rất nhiều vào công cuộc nghiên cứu máy tính lượng tử. Thử thách lớn nhất của thời điểm hiện tại, đó là tạo ra được qubit, giữ cho nó tồn tại đủ lâu để có thể áp dụng phép tính lượng tử, giải quyết được vấn đề.
Đây mới là những bước đầu tiên, nhiều phần chập chững của nhân loại trên chặng đường lượng tử. Bắt chuyện với những chuyên gia ngành công nghệ, họ đều đồng tình rằng máy tính lượng tử chính là tương lai, nhưng cũng nói thêm rằng đường thành công vẫn còn dài và chông gai lắm. Nhưng ta đã có sẵn chỗ đứng cho máy tính lượng tử trong xã hội hiện đại! Máy tính lượng tử sẽ cho ta một thế giới tốt đẹp hơn.
Mục đích của tính toán lượng tử là để phụ giúp, mở rộng khả năng của máy tính cổ điển. Mọi tác vụ sẽ nhanh và hiệu quả hơn, ta sẽ có công cụ xử lý từng vấn đề riêng rẽ. Máy tính lượng tử sẽ không phải kẻ thay thế, mà sẽ là người đồng hành hỗ trợ máy tính cổ điển trên nhiều phương diện.
Máy tính lượng tử sẽ có vị thế trong các ngành gặp nhiều khó khăn do quá nhiều dữ liệu, đơn cử như năng lượng, tài chính, chăm sóc sức khỏe và du hành vũ trụ.
Có thể nêu lên hai khía cạnh ứng dụng được sức mạnh tính toán vô địch của máy tính lượng tử, hai khía cạnh được nói tới nhiều nhất:
- Chúng có khả năng tính toán mạnh mẽ, nên sẽ rất phù hợp để tìm ra các số nguyên tố lớn - những yếu tố quan trọng trong ngành mã hóa bảo mật. Máy tính lượng tử có thể sẽ là cỗ máy phá hệ thống bảo mật tối tân. Mặt khác, máy tính lượng tử cũng sẽ lại là cỗ máy đảm bảo an ninh an toàn bậc nhất.
- Máy tính lượng tử có thể dựng nên những mô hình chất hóa học phức tạp và tính ra các cách kết hợp, các trường hợp phản ứng khác nhau. Ta có thể tìm ra phương thuốc chữa bệnh nhanh hơn trước kia. Máy tính thường không hề giỏi việc này chút nào.
Nhân loại chắc chắn sẽ hưởng lợi rất nhiều từ một cỗ máy tính lượng tử hoạt động được.
Có hai con số tăng, đó là tiền đổ vào nghiên cứu và số lượng bằng sáng chế liên quan tới cơ học lượng tử, nguyên lý lượng tử và máy tính lượng tử. Số liệu năm 2015 của The Economist, toàn thế giới bỏ ra 1,75 tỉ USD để nghiên cứu tính toán lượng tử.
Hoa Kỳ đứng đầu với số tiền đầu tư 421 triệu USD, Trung Quốc đứng ngay sau với 257 triệu USD tiền đầu tư, ba cường quốc đi theo là Đức (140 triệu USD), Anh (123 triệu USD) và Canada (117 triệu USD).
Hai mươi nước khác đầu tư ít nhất 10 triệu USD vào nghiên cứu lượng tử.
Cùng thời điểm đó, các báo cáo khoa học và bằng sáng chế liên tục xuất hiện. Thomson Innovation của Mỹ đứng đầu với 295 bằng, theo sau là Canada (79 bằng), Nhật Bản (78 bằng), Anh (36 bằng) và Trung Quốc (29 bằng).
Các quốc gia, các gã khổng lồ công nghệ, nhiều trường đại học và vô số các startup đều đào sâu tìm hiểu về mỏ vàng máy tính lượng tử, tìm ra những khía cạnh ứng dụng khác nhau. Một số nơi muốn áp dụng vào bảo mật và an ninh, một số khác muốn tranh đấu vị trí " ưu thế lượng tử ".
Nếu không có luật lệ, xã hội loài người sẽ sụp đổ. Vậy nên cũng cần một quy chuẩn cho ngành nghiên cứu lượng tử. Những quy chuẩn công nghệ đều được đặt ra với mục đích tối thượng là tăng tốc phát triển công nghệ, mà đúng là nó đã làm được thế thật. Máy tính lượng tử cũng cần một khuôn khổ như thế.
Hiện tại Nhóm Quy chuẩn Máy tính lượng tử đặt ra 2 quy chuẩn. Một liên quan tới định nghĩa tính toán lượng tử, các danh pháp liên quan để ta có thể bàn luận về máy tính lượng tử cho dễ. Quy chuẩn còn lại liên quan tới hệ đo lường, nhằm chạy benchmark cho chuẩn xác – giữa máy tính lượng tử và máy tính cổ điển, và sau này là giữa các máy tính lượng tử với nhau.
Với mỗi một bước tiến về phía trước, ta sẽ càng thấy cần một bộ quy tắc chung.