Máy tính lượng tử có thể thay đổi thế giới, từ chuyển đổi ngành y học và mật mã học, tới cách mạng hóa ngành thông tin và AI. Chính vì vậy, các công ty như IBM, Microsoft, và Google hiện đang tranh đua để xây dựng những chiếc máy tính lượng tử có thể hoạt động đầu tiên, trong khi Trung Quốc đã đầu tư hàng tỷ đô-la vào lĩnh vực này.

Gần đây, Google công bố đã đạt được ưu thế lượng tử (quantum supremacy) – tức lần đầu tiên máy tính lượng tử có thể giải quyết những vấn đề mà một máy tính thường không làm được. Nhưng cụ thể thì máy tính lượng tử là gì? Và nó hoạt động như thế nào?

Ưu thế lượng tử - Máy tính lượng tử là gì?

Chip của một máy tính thông thường sẽ dùng bit – các công tắc siêu nhỏ, có thể ở chế độ tắt – biểu thị bởi số 0, hoặc ở chế độ bật – biểu thị bởi số 1. Và mọi ứng dụng bạn dùng, website bạn vào, và hình ảnh bạn chụp, đều được tạo thành bởi hàng triệu các bit như vậy, gồm nhiều số 0 và 1.

Cơ chế này đa phần hiệu quả, nhưng không thực sự phản ánh hoạt động của thế giới. Bởi lẽ, trong tự nhiên, sự vật không chỉ là bật hoặc tắt – chúng có thể ở lưng chừng. Và kể cả những siêu máy tính tốt nhất hiện nay cũng không tốt trong việc xử lý các khả năng lưng chừng này – đây là một vấn đề lớn.

Nguyên nhân là do, trong thế kỷ vừa qua, các nhà vật lý học đã phát hiện ra rằng, khi bạn đi sâu vào một quy mô nhỏ, thì những trường hợp bất thường sẽ xảy ra. Do vậy, họ đã phát triển một lĩnh vực hoàn toàn mới để giải thích cho những bất thường này – cơ học lượng tử.

Về cơ bản, cơ học lượng tử là nền tảng cho vật lý, vật lý lại đặt nền móng cho hóa học, mà hóa học thì lại là nền tảng của sinh học. Vì vậy, để có thể mô phỏng bất cứ lĩnh vực nào trong số trên, thì họ phải có được những phép tính xử lý được sự không chắc chắn, và câu trả lời chính là các máy tính lượng tử.

Máy tính lượng tử (Ưu thế lượng tử) hoạt động thế nào?

Thay vì bit, các máy tính lượng tử sử dụng qubit. Thay vì chỉ tắt hay bật, các qubit có thể tồn tại ở dạng chồng chập (superposition) – tức vừa bật vừa tắt, hoặc lưng chừng giữa bật và tắt.

Để minh họa cho trạng thái này, hãy nghĩ tới một đồng xu. Khi bạn tung nó, nó có thể sấp hoặc ngửa. Nhưng nếu bạn xoay nó, thì nó vẫn có thể sắp, ngửa, hoặc không hẳn – bạn sẽ không thể biết nó ở trạng thái nào cho tới khi dừng đồng xu lại. Như vậy, trạng thái chồng chập cũng tương đương một đồng xu đang xoay, và nó cũng là một yếu tố dẫn tới sức mạnh của máy tính lượng tử. Bởi lẽ, qubit cho phép sự không chắc chắn.

Điều này cũng tương tự như đánh dấu lại trang trong một quyển sách vậy – nếu nhân vật bạn nhập vai chết, thì thay vì bắt đầu đọc sách lại từ đầu, thì bạn chỉ cần giở lại trang đã đánh dấu.

Một điểm đặc biệt khác của qubit là rối lượng tử (entanglement). Thông thường, nếu bạn tung hai đồng xu, thì kết quả tung của từng đồng sẽ không liên quan tới nhau, mà hoàn toàn độc lập. Còn ở rối lượng tử, hai vật thể sẽ vẫn có liên hệ, dù hoàn toàn tách biệt về mặt vật lý – nếu một đồng xu ngửa, thì đồng còn lại cũng phải ngửa.

Điều này nghe thì dường như phép thuật, và kể cả các vật lý học cũng không biết được nguyên nhân hay cơ chế đằng sau hiện tượng này. Tuy nhiên, trong lĩnh vực máy tính lượng tử, thì điều này có nghĩa là, bạn có thể sử dụng thông tin, kể cả khi chưa chắc chắn về nó. Bạn có thể lấy đồng xu đang xoay ra làm số liệu cho tính toán. Và nếu bạn có thể xâu chuỗi nhiều qubit lại với nhau, thì bạn có thể giải quyết các bài toán mà máy tính thông thường phải tốn tới hàng triệu năm để giải.

Máy tính lượng tử (Ưu thế lượng tử) có thể làm được gì?

Công nghệ này không chỉ để làm việc nhanh hơn hay hiệu quả hơn, mà là để giúp ta làm được những tác vụ hoàn toàn không thể trước đó, kể cả khi dùng tới những siêu máy tính tiên tiến nhất. Chúng có khả năng gia tốc sự phát triển của AI, và một ví dụ là việc Google sử dụng chúng để cải thiện phần mềm cho xe tự lái. Ngoài ra, máy tính lượng tử sẽ là tối quan trọng trong việc mô hình hóa các phản ứng hóa học.

Hiện nay, siêu máy tính mới chỉ có thể phân tích các phân tử đơn giản nhất, trong khi đó máy tính lượng tử lại vận hành theo cùng cơ chế lượng tử với các phân tử mà nó đang mô phỏng. Chính vì vậy, kể cả những phản ứng phức tạp nhất cũng là đơn giản với thiết bị này.

Điều này nghĩa là, ta có thể có những sản phẩm hiệu quả hơn, như chất liệu pin điện cho xe hơi tốt hơn, các loại thuốc hiệu quả hơn và rẻ hơn, các tấm pin mặt trời được cải thiện hơn… Nhiều nhà khoa học cũng hi vọng rằng, việc mô phỏng lượng tử có thể giúp ta chữa được những bệnh lý như Alzheimer.

Như vậy, máy tính lượng tử sẽ có ích khi ta cần phải mô phỏng một hệ thống lớn, phức tạp, mà lại ít tính chắc chắn. Và những hệ thống như vậy thì lại vô cùng phổ biến trên thế giới, từ thị trường tài chính, dự báo thời tiết, cho tới hành vi của các electron độc lập.

Mật mã cũng là một ứng dụng chủ chốt khác của công nghệ này. Hiện nay, đa số các hệ thống mã hóa đều dựa trên cơ chế phân nhỏ các số lớn ra thành nhiều số nguyên tố. Quá trình gọi là phân tích nhân tử, và thường rất chậm trễ, đắt đỏ, mà thiếu thực tế khi sử dụng các máy tính thông thường. Trong khi đó, máy tính lượng tử lại có thể làm nó rất dễ dàng – dù điều này sẽ là một hiểm nguy lớn cho việc bảo mật.

Hiện nay đã xuất hiện rất nhiều lời đồn đại rằng, các công ty trên thế giới đang tích trữ dữ liệu đã mã hóa, để chờ giải mã chúng khi tiếp cận được với công nghệ máy tính lượng tử. Và chỉ có một cách giải quyết cho vấn nạn này, đó là mã hóa lượng tử dựa trên cơ chế không chắc chắn – tức xác định rằng, bạn không thể đo lường một thứ mà không ảnh hưởng tới kết quả của nó. Như vậy, các lượng tử mã hóa sẽ không thể bị sao chép hay hack – tức hoàn toàn không thể phá vỡ.

Với những khả năng trên, máy tính lượng tử được đánh giá là xu hướng của tương lai do được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Những đột phá về loại thiết bị này có thể giúp hỗ trợ y học nghiên cứu kéo dài sự sống, tạo siêu vật liệu mới. Nó cũng được cho là sẽ ảnh hưởng đến thị trường tài chính, chính phủ, cộng đồng quốc tế và quân đội.

Tuy rằng các nhà nghiên cứu đã đi một chặng đường rất dài trong việc phát triển các thuật toán lượng tử, ta vẫn còn rất nhiều thứ để cải thiện về thiết bị này. Máy tính lượng tử đúng là có thể thay đổi thế giới – nhưng ở hiện tại, tương lai của nó còn rất mập mờ.