Lượng tử là gì? Những ứng dụng của máy tính lượng tử

Bước sang Thế kỉ 21 là thời đại của vật lý lượng tử với các phát minh vĩ đại liên quan, điển hình là máy tính lượng tử. Bài viết sau đây, chúng ta hãy cùng nhau đi tìm hiểu về thuyết  lượng tử là gì. Máy tính lượng tử là gì, ứng dụng công nghệ lượng tự như thế nào nhé!

Lượng tử là gì?

Lượng tử (tiếng Anh là quantum) trong vật lý học là một đại lượng rời rạc và nhỏ nhất của một thực thể vật lý.

Ví dụ, photon chính là một lượng tử của ánh sáng, và electron là một lượng tử của nguyên tử.

Vật lý lượng tử đã đem đến các phát minh vĩ đại
Vật lý lượng tử đã đem đến các phát minh vĩ đại

Ngày nay vật lý lượng tử được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như chế tạo máy tính lượng tử, viễn tải lượng tử, hay chế tạo các màn hình vi tính bạn đang sử dụng…

Nguyên nhân ra đời vật lý lượng tử

Các nhà khoa học thời Newton tin rằng các nguyên tử chỉ cấu thành từ dạng hạt. Tuy nhiên năm 1924, nhà vật lý người Pháp Louis de Broglie nói rằng các hạt thông thường mang cả tính chất sóng. Từ đó thuật ngữ “lưỡng tính sóng – hạt” ra đời nhằm thể hiện đặc tính của vật chất ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử

Cũng chính vì tính chất sóng rõ rệt này, nên sự chuyển động của các hạt nguyên tử không tuân thủ cơ học cổ điển với nòng cốt là 3 định luật của Newton, từ đó công nghệ lượng tử ra đời.

Máy tính lượng tử là gì?

Máy tính lượng tử (tiếng Anh là Quantum computing) là một lĩnh vực tập trung vào việc phát triển công nghệ máy tính dựa trên các lý thuyết lượng tử. Loại máy tính hiện đại này tận dụng những hiện tượng cơ học lượng tử để tạo ra các đối tượng truyền tải dữ liệu, thông tin trên máy.

Máy tính lượng tử ra đời nhờ thuyết lượng tử
Máy tính lượng tử ra đời nhờ thuyết lượng tử

Tốc độ xử lý thông tin trên máy tính lượng tử bao giờ cũng nhanh hơn, thậm chí là nhanh hơn theo cấp số nhân, trong khi mức năng lượng tiêu thụ lại ít hơn so với máy tính thông thường

Nguyên lý hoạt động của máy tính lượng tử

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

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

Trong tương lai, con người sẽ nghiên cứu để mở rộng quy mô hệ thống lượng tử, để chúng hoạt động tuần tự trong thời gian dài và có khả năng chịu được lỗi, mở ra tương lai mới phát triển của ngành khoa học máy tính.

Ứng dụng của máy tính lượng tử

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

Điều tiết giao thông

Máy tính lượng tử giúp điều tiết giao thông dễ dàng hơn. Các công ty như Airbus sử dụng công nghệ lượng tử để thiết kế máy bay. Qubit lập kế hoạch giao thông và tối ưu hóa tuyến đường, giúp tài xế lái có lộ trình đi tối ưu nhất. Mọi vấn đề xảy ra trên đường phố được xử lý nhanh chóng nhờ sự trợ giúp của máy tính lượng tử.

Mô phỏng phân tử

Nguyên lý chồng chất giải thích việc máy tính lượng tử có khả năng mô phỏng chính xác các phần 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 thuốc nhanh hơn trước. Có thể xem đây là cơ sở tạo bước đột phá lớn của ngành y học trong tương lai.

Trí tuệ nhân tạo

Trí tuệ nhân tạo AI - Ứng dụng của máy tính lượng tử
Trí tuệ nhân tạo AI – Ứng dụng của máy tính lượng tử

Một thiết bị trí tuệ nhân tạo AI có thể học được các thông tin, hành động cần phải có mạng thần kinh. Do đó, khi ứng dụng công nghệ 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 chú trọng việc đầu tư 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 tương lai xa vài năm tới. Từ đó, giúp con người chủ động đối phó với thiên tai và giảm thiệt tối đa thiệt hại do thiên tai gây ra.

Tối ưu hóa danh mục đầu tư Tài chính

Các công ty sẽ được tối ưu hóa hơn nữa danh mục đầu tư của họ và cải thiện hệ thống mô phỏng cùng với việc phát hiện gian lận.

Chăm sóc sức khỏe

Lĩnh vực này sẽ được hưởng lợi từ việc nghiên cứu ra các loại thuốc mới và các phương pháp điều trị về mặt di truyền và nghiên cứu DNA.

An ninh mạng

Lập trình lượng tử có thể xảy ra không ít rủi ro nhưng nó cũng đem lại những tiến bộ trong mã hóa dữ liệu như sự xuất hiện của hệ thống Quantum Key Distribution (QKD) mới. Đây là một kỹ thuật mới để gửi thông tin mật qua tín hiệu ánh sáng và phát hiện những kẻ xâm nhập vào hệ thống

Máy tính lượng tử có đặc điểm gì?

Thay vì sử dụng bit ở máy tính thông thường, máy tính lượng tử sử dụng qubit làm đơn vị thông tin cơ bản. Tức là dữ liệu không được xử lý bởi các electron qua transistor nữa mà xử lý bởi các nguyên tử. Đặc điểm chính qubit là nó cho phép chồng chập lượng tử tuyến tính của 2 trạng thái cơ bản (thường được ký hiệu |0> và |1>). Mặt khác, bit chỉ có thể có 1 giá trị tại 1 thời điểm.

Do đó, bạn có thể hiểu đơn giản là 1 qubit có thể vừa bằng 0 vừa bằng 1 tại cùng một thời điểm và theo các tỷ lệ khác nhau. Sự đa dạng của các trạng thái này giúp máy tính lượng tử chỉ cần 30 qubit đã có thể thực hiện 10 tỷ phép toán trên mỗi giây, cao hơn khoảng 5,8 tỷ lần so với máy chơi game PlayStation 5 mạnh nhất trên thị trường.

Sự khác biệt giữa máy tính lượng tử và máy tính thông thường là gì?

Lượng tử và điện toán truyền thống là 2 thế giới song song với một số điểm tương đồng và cũng không ít điểm khác biệt như việc sử dụng qubit thay vì bit. 

Sự khác biệt giữa máy tính lượng tử và máy tính thông thường
Sự khác biệt giữa máy tính lượng tử và máy tính thông thường

Xem thêm:

Có 3 sự khác biệt lớn nhất giữa máy tính lượng tử và máy tính thông thường, cụ thể.

  • Ngôn ngữ lập trình: Máy tính lượng tử không có mã lập trình riêng bởi nó yêu cầu các thuật toán rất cụ thể. Tuy nhiên, máy tính truyền thống có các ngôn ngữ được tiêu chuẩn hóa như Java, Python và SQL…
  • Chức năng: Máy tính lượng tử không được sử dụng rộng rãi, hàng ngày, không giống như máy tính cá nhân (PC). Những siêu máy tính này rất phức tạp và chúng chỉ có thể được sử dụng trong các lĩnh vực như khoa học và công nghệ.
  • Thiết kế: Máy tính lượng tử có thiết kế đơn giản hơn máy tính thông thường và chúng không có bộ nhớ hoặc bộ xử lý. Thiết bị chỉ bao gồm một tập hợp các qubit giúp nó hoạt động.

Điều kiện hoạt động của máy tính lượng tử là gì?

Máy tính lượng tử cực kỳ nhạy cảm và đòi hỏi các điều kiện áp suất cũng như nhiệt độ và độ cách điện cụ thể để thiết bị hoạt động chính xác. Nếu xảy ra sự tương tác với các hạt bên ngoài, máy tính có thể xuất hiện lỗi đo lường. Đó là lý do tại sao chúng được niêm phong lại và phải được vận hành bằng máy tính thông thường.

Máy tính lượng tử hoạt động trong môi trường hầu như không có áp suất khí quyển, nhiệt độ môi trường gần bằng 0 tuyệt đối (-273°C) và cách điện khỏi từ trường trái đất để tránh các nguyên tử di chuyển va chạm với nhau hoặc tương tác với môi trường. Ngoài ra, các hệ thống này chỉ hoạt động trong thời gian rất ngắn, Do đó thông tin bị hỏng và không thể lưu trữ được khiến việc khôi phục dữ liệu rất khó khăn.

Có thể nói, vật lý lượng tử đang đem đến những phát minh vĩ đại, tạo ra bước tiến khoa học vượt bậc cho toàn nhân loại. Cũng bởi lý do này mà Google đang tích cực đầu tư vào nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử để tăng tốc thuật toán AI bằng phần cứng lượng tử.