Chúng ta đang chuyển sang kỷ nguyên dữ liệu mới được gọi là máy tính lượng tử, khác biệt với máy tính cổ điển. Bằng cách tác động đến các lĩnh vực trí tuệ nhân tạo và phân tích dữ liệu, máy tính lượng tử được dự đoán sẽ đưa chúng ta tiến vào tương lai nhanh hơn. Tốc độ và sức mạnh của máy tính lượng tử sẽ cho phép chúng ta giải quyết một số vấn đề khó khăn nhất mà nhân loại từng phải đối mặt.
MÁY TÍNH LƯỢNG TỬ LÀ GÌ?
Máy tính lượng tử liên quan đến lĩnh vực bí ẩn của vật lý hạ nguyên tử, dựa trên các phép tính trên các trạng thái không chắc chắn ở cấp độ nguyên tử. Máy tính lượng tử dựa trên một khái niệm cơ bản của vật lý lượng tử được gọi là "chồng chập" (quantum superposition), nghĩa là một thực thể duy nhất có thể chiếm nhiều trạng thái cùng một lúc.
Máy tính lượng tử được Gartner định nghĩa là "sử dụng các trạng thái lượng tử nguyên tử để thực hiện tính toán". Qubit (bit lượng tử), có thể lưu trữ tất cả các trạng thái có thể hình dung cùng một lúc, được sử dụng để lưu trữ dữ liệu.
Ngay cả khi bị cô lập về mặt vật lý, thông tin được lưu trữ trong một qubit vẫn có thể ảnh hưởng đến dữ liệu được lưu trữ trong qubit khác. Hiện tượng này được gọi là vướng víu lượng tử (quantum entanglement). Nói một cách đơn giản hơn, máy tính lượng tử sử dụng bit lượng tử hoặc qubit để truyền thông kỹ thuật số thay vì các bit nhị phân thông thường là số 1 và số 0. Vì nguyên tử là một hệ thống vật lý có thể tồn tại ở cả trạng thái 0 và 1 cùng một lúc, nên chúng được sử dụng trong máy tính lượng tử.
CUỘC ĐUA MÁY TÍNH LƯỢNG TỬ
Những khám phá khoa học trong nghiên cứu lượng tử trong vài năm gần đây đặc biệt mang tính cách mạng, dẫn đến những chiếc máy tính nhanh hơn và chính xác hơn rất nhiều. Thực tế công nghệ đã chứng minh những gì từng được coi là khoa học viễn tưởng đã không còn viễn tưởng.
Lần đầu tiên một thuật toán lượng tử được truyền không dây giữa hai bộ xử lý lượng tử riêng biệt đã được một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Oxford thực hiện. Tận dụng bản chất độc đáo của chúng, hai lõi kết hợp để tạo ra một máy tính mạnh mẽ có thể giải quyết các vấn đề mà không lõi nào có thể tự xử lý. Bằng cách sử dụng sự vướng víu lượng tử, các nhà nghiên cứu tại Oxford có thể truyền dữ liệu cơ bản giữa các máy tính gần như ngay lập tức.
Microsoft gần đây đã đẩy nhanh tiến độ hiện thực hóa điện toán lượng tử quy mô lớn. Bộ xử lý Majorana 1 mới của họ sử dụng các hạt đối lập với nhau. Microsoft sử dụng phụ thuộc vào nhiều electron di chuyển đồng bộ như thể chúng là một hạt duy nhất. Phương pháp này sẽ cho phép qubit được mở rộng nhanh chóng cho các ứng dụng thực tế. Phạm vi ứng dụng là rất lớn: Một con chip có tiềm năng vượt qua hiệu suất kết hợp của tất cả các máy tính hiện tại.
Trong mười năm qua, Google cũng đã âm thầm phát triển chip lượng tử. Google công bố chiến lược điện toán lượng tử và ra mắt Willow, chip lượng tử mới nhất của hãng với những cải tiến đáng kể về hiệu chỉnh lỗi. Willow có thể sử dụng nhiều qubit hơn để mở rộng quy mô và giảm lỗi. Sự phát triển này được Google gọi là một bước đột phá sẽ làm tăng độ tin cậy của các hệ thống lượng tử.
Theo công ty, chip Willow mới nhất của họ nhanh đến mức có thể hoàn thành một phép tính trong vòng chưa đầy năm phút mà một siêu máy tính hàng đầu hiện nay phải mất, chẳng hạn như siêu máy tính Frontier ở Tennessee, 10 septillion năm.
Reimei, siêu máy tính lượng tử lai đầu tiên trong lịch sử, cũng đã được các kỹ sư Nhật Bản bật lên. Máy lượng tử 20 qubit đã được tích hợp vào Fugaku, siêu máy tính nhanh thứ sáu trên thế giới. Máy tính lai sử dụng kiến trúc của Quantinuum.
Theo Microsoft, một máy tính lượng tử với một triệu qubit sẽ có khả năng tính toán vượt xa tổng công suất của tất cả các máy tính hiện có trên thế giới cộng lại. Tham vọng của công ty là xây dựng được ít nhất 1.000 máy tính lượng tử loại này trong tương lai.
Để phát triển máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi, Intel đang thực hiện các bước để xây dựng bộ xử lý lượng tử dựa trên silicon có khả năng mở rộng, mở đường cho sản xuất hàng loạt và mở rộng hơn nữa các bộ xử lý lượng tử dựa trên silicon.
IBM cũng không kém phần khi tạo ra "IBM Quantum System Two" nổi tiếng với các trung tâm dữ liệu lượng tử của mình. Công nghệ máy tính lượng tử mô-đun mà I BM đã giới thiệu giúp việc mở rộng và mở rộng khả năng của máy tính lượng tử trở nên đơn giản hơn. IBM đã thực hiện những tiến bộ lớn về phần cứng và phần mềm cho hệ thống lượng tử của mình; các nhà khoa học cho biết máy tính lượng tử mới nhất của công ty hiện đủ mạnh để nghiên cứu khoa học thực tế. Chip lượng tử 156 qubit mới nhất của IBM có thể chạy nhanh hơn 50 lần so với phiên bản trước đó.
Một bước đột phá lớn trong điện toán lượng tử đã được thực hiện với việc hiệu chuẩn và đánh giá chuẩn thành công bộ xử lý Advantage2TM 4.400+ qubit mới của D-Wave Quantum. Với khả năng giải quyết vấn đề nhanh hơn 25.000 lần và tạo ra kết quả tốt hơn năm lần cho các công việc có độ chính xác cao, hệ thống thế hệ thứ sáu này vượt trội hơn hệ thống AdvantageTM hiện tại về mặt hiệu suất. Bộ xử lý đã chứng minh hiệu suất ấn tượng trong các ứng dụng tối ưu hóa, trí tuệ nhân tạo và khoa học vật liệu, vượt trội hơn hệ thống hiện có trong 99% thử nghiệm vấn đề về khả năng thỏa mãn.
Quantinuum gần đây đã ra mắt Máy tính lượng tử 56-Qubit Trapped-Ion đầu tiên trong ngành. Một cột mốc quan trọng đã đạt được vào đầu năm ngoái cho phép khả năng chịu lỗi đã đạt được bởi H-Series của Quantinuum, trở thành sản phẩm đầu tiên đạt được "ba 9" - 99,9% - độ trung thực cổng hai qubit trên tất cả các cặp qubit trong một thiết bị sản xuất. Sự phát triển này cung cấp độ trung thực cao để thúc đẩy lĩnh vực thuật toán lượng tử cho các trường hợp sử dụng trong công nghiệp nói chung và các trường hợp sử dụng trong tài chính nói riêng
CƠ HỘI DÀNH CHO TẤT CẢ
Quantum Computing Inc. (QCI) điều hành một doanh nghiệp giải pháp lượng tử toàn diện để đẩy nhanh việc cung cấp các hệ thống phần cứng cho xử lý thông tin lượng tử, mang lại lợi ích về hiệu suất phân tích và an ninh mạng. Ưu điểm của điện toán lượng tử quang tử là nó hoạt động và có thể được thực hiện ở nhiệt độ phòng vì các hạt ổn định hơn. QCI gần đây đã công bố rằng họ đang xây dựng chip điện toán lượng tử quang tử của riêng mình ở quy mô lớn.
Rigetti Computing cung cấp quyền truy cập đám mây vào hệ thống máy tính lượng tử của họ thông qua nền tảng "Forest" và tạo ra bộ xử lý qubit siêu dẫn. Forest được tạo ra để cho phép các chương trình sử dụng bộ xử lý lượng tử cung cấp các khả năng mới cho phần mềm truyền thống, tương tự như cách máy tính có thể có card đồ họa. Theo Rigetti, kiến trúc lai này sẽ rất cần thiết để làm cho công nghệ khả thi. Các lập trình viên có thể tạo các thuật toán lượng tử trên nền tảng để mô phỏng thiết bị lượng tử 36 qubit.
IonQ tạo ra phần mềm và máy tính cho công nghệ lượng tử ion bị bẫy. Qubit của IonQ là các nguyên tử ion hóa của nguyên tố đất hiếm màu bạc ytterbium. Trong vũ trụ, mọi nguyên tử ytterbium đều giống với mọi nguyên tử ytterbium khác. Chúng có thể được tạo ra ở trạng thái lượng tử ổn định nhất định và duy trì ở đó trong thời gian dài.
TƯƠNG LAI TRONG MƠ CỦA CÔNG NGHỆ LƯỢNG TỬ
Năm 2022, phát biểu tại hội nghị "Thương mại hóa lượng tử", Chuck Brooks - Chủ tịch Brooks Consulting International nhấn mạnh rằng "Chúng ta nên sẵn sàng đầu tư để đảm bảo rằng các năng lực lượng tử cho cả an ninh quốc gia và phát triển kinh tế được phát triển theo các yếu tố sắp tới của công nghệ lượng tử".
Nhiều người hiện tin rằng sức mạnh và tốc độ của máy tính lượng tử sẽ cho phép chúng ta giải quyết một số vấn đề lớn nhất và khó khăn nhất mà nền văn minh của chúng ta phải đối mặt. Việc giải quyết vấn đề sẽ trở nên khả thi nhờ tốc độ xử lý chưa từng có và phân tích dự đoán của máy tính lượng tử. Đó là tiềm năng đáng chú ý trong tương lai gần. Mckinsey & Company dự báo rằng Quantum Technologies có thể tạo ra giá trị kinh tế trên thị trường lên tới 2 nghìn tỷ USD vào năm 2035.
Đo lường và cảm biến lượng tử là một lĩnh vực mà công nghệ lượng tử đã xuất hiện. Các thiết bị dẫn đường và chụp cộng hưởng từ (MRI) đã sử dụng công nghệ này. Cảm biến lượng tử phát hiện và định lượng những thay đổi nhỏ về thời gian, trọng lực, nhiệt độ, áp suất, độ quay, gia tốc, tần số và từ trường và điện trường bằng cách sử dụng lượng vật chất và năng lượng nhỏ nhất.
Lượng tử sẽ có tác động trực tiếp đến nhiều lĩnh vực khoa học, bao gồm sinh học, hóa học, vật lý và toán học. Các ứng dụng trong ngành sẽ có tác động đến nhiều lĩnh vực, bao gồm chăm sóc sức khỏe, ngân hàng, truyền thông, thương mại, an ninh mạng, năng lượng và thám hiểm không gian.
Nói cách khác, bất kỳ lĩnh vực nào mà dữ liệu là một thành phần. Cụ thể hơn, công nghệ lượng tử có tiềm năng đáng kinh ngạc để biến đổi nhiều lĩnh vực, bao gồm khoa học vật liệu, laser, công nghệ sinh học, truyền thông, giải trình tự gen và phân tích dữ liệu thời gian thực. Máy tính lượng tử cũng được kỳ vọng sẽ đẩy nhanh tương lai thông qua việc tác động đến bối cảnh Metaverse và trí tuệ nhân tạo.
Lĩnh vực ngân hàng
Máy tính lượng tử có tiềm năng cách mạng hóa ngành ngân hàng như thực hiện đánh giá rủi ro phức tạp và tối ưu hóa danh mục đầu tư, giúp các tổ chức tài chính đưa ra quyết định sáng suốt hơn. Bên cạnh đó, chúng còn hỗ trợ phân tích một lượng lớn dữ liệu để xác định các mẫu và điểm bất thường để từ đó có thể chỉ ra các hoạt động gian lận.
Máy tính lượng tử còn giúp tối ưu hóa chiến lược giao dịch và giảm thời gian thực hiện giao dịch, có khả năng nâng cao hiệu quả của thị trường tài chính.
Lĩnh vực công nghệ
Máy tính lượng tử hỗ trợ thực hiện các mô phỏng và tính toán phức tạp, cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện những khám phá mới và tìm hiểu các hiện tượng phức tạp một cách nhanh chóng hơn. Điều này có thể dẫn đến sự phát triển của các công nghệ mới với tốc độ nhanh hơn. Đồng thời máy tính lượng tử cũng giúp đào tạo và chạy các thuật toán trí tuệ nhân tạo, có khả năng làm cho chúng mạnh mẽ và hiệu quả hơn.
Lĩnh vực chế tạo máy
Máy tính lượng tử có tiềm năng cách mạng hóa lĩnh vực chế tạo máy như hỗ trợ việc thiết kế các vật liệu mới có đặc tính cụ thể, chẳng hạn như tăng độ bền hoặc độ dẫn điện đồng thời tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu chất thải, nâng cao hiệu quả và tính bền vững của sản xuất.
Ứng dụng công nghiệp của máy tính lượng tử được đánh giá là vô tận. Nhà sản xuất ô tô BMW (Đức) là một ví dụ điển hình. Thông thường, thời gian tạo ra một mẫu ôtô mới mất ít nhất 4 năm, trong đó dài nhất là phần thử nghiệm. Nhưng theo Carsten Sapia, Phó Chủ tịch chiến lược, quản trị và bảo mật của BMW, việc ứng dụng máy tính lượng tử trong mô phỏng vận hành xe giúp công ty rút ngắn quá trình này xuống ít nhất 6 tháng.
AN NINH MẠNG LƯỢNG TỬ
Sự thành công của điện toán lượng tử phù hợp với sự thống trị lượng tử cũng có thể gây ra rủi ro. Hoa Kỳ và các quốc gia khác lo ngại rằng tin tặc đang đánh cắp dữ liệu ngay bây giờ để máy tính lượng tử có thể bẻ khóa trong thập kỷ này. Cùng một sức mạnh xử lý giúp giải mã nhanh chóng hoặc giải quyết các vấn đề phức tạp cũng có thể được sử dụng để xâm phạm an ninh mạng. Điều này đe dọa trực tiếp đến các hệ thống tài chính và cơ sở hạ tầng quan trọng khác. Một máy tính truyền thống sẽ mất một tỷ năm để bẻ khóa mã hóa theo tiêu chuẩn RSA-2048 ngày nay. Về mặt lý thuyết, nó có thể bị bẻ khóa trong vòng chưa đầy hai phút nếu bạn có một máy tính lượng tử hoạt động.
Một sự kiện được các nhà nghiên cứu lượng tử gọi là Q-Day là nơi các máy tính lượng tử quy mô lớn có thể sử dụng thuật toán Shor để phá vỡ mọi hệ thống khóa công khai sử dụng mật mã dựa trên phân tích số nguyên (và các loại mật mã khác).
Nhân loại đang trên con đường mới nổi đến kỷ nguyên mới của máy tính lượng tử. Và nó đang đến dưới nhiều hình thức khác nhau sớm hơn chúng ta nghĩ. Các công nghệ lượng tử chắc chắn sẽ được kết hợp với trí tuệ nhân tạo. Những tác động của sự hội tụ đó sẽ mang tính chuyển đổi. Bây giờ chúng ta phải chuẩn bị cho những lợi ích và rủi ro theo cấp số nhân của các công nghệ lượng tử do bản chất có khả năng gây gián đoạn của chúng.