Máy tính lượng tử vượt qua những giới hạn của máy tính thông thường nhờ sở hữu công nghệ gì?

Máy tính lượng tử thương mại đầu tiên trên thế giới do IBM chế tạo và đặt tại Trung tâm Ươm mầm doanh nghiệp tại thành phố Kawasaki của Nhật Bản. Hàng loạt công ty đang sử dụng thiết bị này, trong đó có những tên tuổi lớn nhất nước này như Toyota, Hitachi và Toshiba.

Máy tính lượng tử là một lĩnh vực tập trung vào việc phát triển công nghệ máy tính dựa trên các lý thuyết lượng tử. Loại máy tính này tận dụng những hiện tượng cơ học lượng tử để tạo ra các đối tượng truyền tải dữ liệu, thông tin trên máy. Các hoạt động trên máy tính lượng tử có tốc độ xử lý nhanh hơn, thậm chí là nhanh hơn theo cấp số nhân, trong khi mức năng lượng tiêu thụ lại ít hơn.

Máy tính lượng tử được kỳ vọng sẽ vượt qua những giới hạn của máy tính thông thường. Hồi năm 2019, máy tính lượng tử của Google chỉ mất 3 phút 20 giây để giải phép toàn vốn đòi hỏi máy tính thông thường xử lý trong 10.000 năm. Tuy nhiên, đó chỉ là phép toán hẹp nhằm tạo ra các con số ngẫu nhiên, không có nhiều ứng dụng trong thực tế.

Máy tính lượng tử sử dụng các mạch nhỏ để thực hiện các phép tính như một chiếc máy tính thông thường hiện nay. Tuy nhiên 3 đặc tính cơ lượng tử là chồng chất, vướng víu và giao thoa được sử dụng để điều khiển các trang thái của Qubit.

Bên cạnh đó, hệ thống lượng tử cũng dùng các thuộc tính lượng tử cho việc tính toán. Cụ thể, nó sẽ xác định trạng thái năng lượng thấp nhất trong liên kết phân tử, từ đó mô phỏng lại phân tử đó. Việc này cho phép tốc độ xử lý của máy tính nhanh hơn rất nhiều so với truyền thống.

Ngày nay, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới sử dụng các bộ xử lý lượng tử thực để thử nghiệm các thuật toán cho các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như Tài chính, Quân sự, Điều chế thuốc, Năng lượng hạt nhân, Trí tuệ nhân tạo AI, Hàng không vũ trụ,...

Điều tiết giao thông: Máy tính lượng tử giúp cho việc điều tiết giao thông trở nên dễ dàng hơn. Nó giúp tài xế lái có lộ trình đi tối ưu nhất. Mọi vấn đề xảy ra trên đường phố được xử lý một cách nhanh chóng với sự góp mặt của máy tính lượng tử.

Mô phỏng phân tử: Nguyên lý chồng chất giải thích cho việc máy tính lượng tử có khả năng mô phỏng chính xác các phân tử cực kỳ phức tạp mà máy tính thông thường chưa làm được. Đồng thời, nó giúp cho các nhà khoa học tìm ra các phương pháp chữa trị, nghiên cứu các loại thuốc nhanh hơn trước. Có thể xem đây là cơ sở tạo nên bước đột phá của ngành y học trong tương lai.

Trí tuệ nhân tạo: Một thiết bị trí tuệ nhân tạo có thể học được các thông tin, hành động cần phải có mạng thần kinh. Do đó, khi ứng dụng mạng lượng tử vào trí tuệ nhân tạo, nó sẽ giúp máy móc bắt chước nhanh hơn so với thông thường. Điều này cũng giải thích cho việc Google đầu tư vào việc nghiên cứu máy tính lượng tử để cải thiện Google AI.

Dự báo thời tiết: Máy tính lượng tử có khả năng dự báo thời tiết chính xác hơn. Thậm chí, có thể dự báo được xu hướng thời tiết trong vài năm tới. Từ đó, giúp con người chủ động đối phó với thiên tai và giúp giảm thiệt hại do thiên tai đem lại.

Nhờ những công nghệ đặc biệt trên, giờ đây các công ty trên toàn cầu đang nghiên cứu những ứng dụng của công nghệ lượng tử. Phần lớn sự tập trung vẫn dồn vào cuộc chạy đua phát triển phần cứng giữa Google và IBM, nhưng một cuộc đấu khác đang diễn ra quyết liệt nhằm xác định doanh nghiệp nào sẽ tận dụng được công nghệ này đầu tiên.

"Đức là một trong những nước đi đầu trong nghiên cứu công nghệ lượng tử, chúng tôi muốn duy trì vị thế này", Thủ tướng Đức Angela Merkel nói trong lễ khởi công dự án máy tính lượng tử thương mại của IBM tại thành phố Stuttgart hồi tháng 6, thêm rằng các nghiên cứu nên được ứng dụng cho càng nhiều ngành công nghiệp càng tốt.

Viện nghiên cứu Fraunhofer hàng đầu nước Đức đang đóng vai trò chủ chốt trong dự án này, cùng liên doanh giữa 10 tập đoàn công nghiệp lớn của Đức, trong đó có Volkswagen, Bosch, Merck, BASF, Siemens và SAP. Mục tiêu của họ là sử dụng máy tính lượng tử để tăng cường năng lực cạnh tranh trên thị trường, bao gồm cải thiện hiệu năng ắc quy trên xe điện và nghiên cứu phát triển dược phẩm.

Một ví dụ điển hình về tính hữu dụng của máy tính lượng tử là các phép toán mô phỏng hỗ trợ thí nghiệm hóa học. Điều này có thể dẫn tới những đột phá về vật liệu và y dược, cũng như cắt giảm đáng kể thời gian phát triển sản phẩm. Công nghệ lượng tử thể hiện rất tốt trong tính toán giải pháp tối ưu khi được cung cấp lượng lớn dữ liệu và phương án lựa chọn.

Trong tài chính, nó có thể đưa ra giải pháp phối hợp nguồn lực tốt nhất với danh sách tài sản có sẵn. Việc sử dụng công nghệ lượng tử với trí tuệ nhân tạo cũng đang nhận được nhiều sự chú ý. AI sử dụng công nghệ học máy thường gặp tình trạng mô hình quá khớp với dữ liệu (overfitting), xảy ra khi nó học quá nhiều tự tập dữ liệu huấn luyện và không thể xử lý những thông tin chưa biết.

Hồi tháng 7, startup Grid của Nhật Bản gây chú ý khi công bố tài liệu dựa trên thử nghiệm số liệu và lý thuyết, trong đó cho thấy mô hình quá khớp khó xảy ra khi sử dụng máy tính lượng tử.

Tại Nhật Bản, một trung tâm cho hệ thống điện toán lượng tử đám mây Q Network c ủa IBM đã được khai trương tại Đại học Keio vào năm 2018, với sự tham gia của Mitsubishi Chemical, Mizuho Financial Group, Mitsubishi UFJ Financial Group và nhiều doanh nghiệp lớn. Các tập đoàn này cũng tham gia một hội đồng do Đại học Tokyo dẫn đầu, với mục tiêu đẩy nhanh nghiên cứu bằng cách tận dụng máy tính lượng tử thương mại của IBM tại Kawasaki.

Những startup nghiên cứu thuật toán cũng đóng vai trò quan trọng với các dự án máy tính lượng tử. QunaSys là một trong những doanh nghiệp nổi tiếng nhất lĩnh vực này ở Nhật Bản và đã công bố dự án nghiên cứu chung với Toyota Central R&D Labs để phát triển các ứng dụng tương lai.

Kỳ vọng với máy tính lượng tử có thể đang đi trước thực tế, nhưng tiềm năng của lĩnh vực này vẫn rất lớn. Công ty tư vấn Boston Consulting Group ở Mỹ hồi tháng 7 công bố dự báo cho rằng máy tính lượng tử có thể tạo ra giá trị hàng năm tương đương 10 tỷ USD vào năm 2030 và tăng lên tới 850 tỷ USD vào năm 2040.

Được biết, trong tương lai, con người sẽ nghiên cứu để mở rộng quy mô hệ thống lượng tử, cho chúng hoạt động tuần tự trong thời gian dài và có khả năng chịu được lỗi. Có thể nói, rất đáng để chúng ta mong chờ một tương lai mới của ngành khoa học máy tính.

An Dương (T/h)