Giải thích: Quyền tối cao lượng tử là gì?

Quyền tối cao lượng tử là một cột mốc quan trọng đã được tìm kiếm từ lâu trong lĩnh vực điện toán, và bây giờ Google đã thông báo rằng họ đã đạt được nó. Một cái nhìn khoa học đằng sau khái niệm này, những gì đã thực sự đạt được và bao nhiêu điều còn lại.

Một thành phần của Máy tính lượng tử của Google trong phòng thí nghiệm Santa Barbara, California, Hoa Kỳ. (Ảnh qua Reuters)

Tuần này, Google thông báo rằng họ đã đạt được một bước đột phá được gọi là quyền tối cao lượng tử trong tin học. Điều đó có nghĩa là gì, và tại sao nó lại quan trọng?

Vậy, quyền tối cao lượng tử là gì?

Đó là một thuật ngữ được đề xuất vào năm 2012 bởi John Preskill, giáo sư vật lý lý thuyết tại Viện Công nghệ California. Nó mô tả điểm mà máy tính lượng tử có thể làm được những điều mà máy tính cổ điển không thể. Trong trường hợp của Google, các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Santa Barbara đã tuyên bố đã phát triển một bộ xử lý mất 200 giây để thực hiện một phép tính mà một máy tính cổ điển có thể mất 10.000 năm.

Nhưng máy tính lượng tử là gì?

Máy tính truyền thống của chúng tôi hoạt động dựa trên các quy luật vật lý cổ điển, đặc biệt bằng cách sử dụng dòng điện. Mặt khác, một máy tính lượng tử tìm cách khai thác các quy luật chi phối hành vi của nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử. Ở quy mô nhỏ bé đó, nhiều định luật vật lý cổ điển không còn được áp dụng, và những định luật vật lý lượng tử độc nhất vô nhị được phát huy.

Phát triển một máy tính như vậy đã là mục tiêu của các nhà khoa học trong gần bốn thập kỷ. Vào năm 1981, nhà vật lý Richard Feynman đã viết: Việc cố gắng tìm kiếm một mô phỏng vật lý trên máy tính đối với tôi dường như là một chương trình tuyệt vời để theo dõi… Tự nhiên không phải là cổ điển… và nếu bạn muốn tạo ra một mô phỏng của Tự nhiên, bạn tốt hơn biến nó thành cơ học lượng tử, và thật kỳ lạ, đó là một vấn đề tuyệt vời, bởi vì nó trông không dễ dàng như vậy.

Một mô phỏng như vậy sẽ tạo ra sự khác biệt gì?

Đó là về tốc độ xử lý. Chúng ta hãy xem cách một máy tính cổ điển xử lý thông tin. Các bit thông tin được lưu trữ dưới dạng 0 hoặc 1. Mỗi chuỗi các chữ số như vậy (chuỗi bit) đại diện cho một ký tự hoặc lệnh duy nhất; ví dụ, 01100001 đại diện cho chữ thường a.

Trong máy tính lượng tử, thông tin được lưu trữ trong các bit lượng tử, hoặc qubit. Và một qubit có thể là 0 và 1 cùng một lúc. Vật lý lượng tử liên quan đến những khái niệm mà ngay cả các nhà vật lý cũng mô tả là kỳ lạ. Không giống như vật lý cổ điển, trong đó một vật thể có thể tồn tại ở một nơi tại một thời điểm, vật lý lượng tử xem xét các xác suất của một vật thể ở những điểm khác nhau. Sự tồn tại trong nhiều trạng thái được gọi là chồng chất, và mối quan hệ giữa các trạng thái này được gọi là sự vướng víu.

Số lượng qubit càng nhiều thì lượng thông tin được lưu trữ trong chúng càng cao. So với thông tin được lưu trữ trong cùng một số bit, thông tin trong qubit tăng lên theo cấp số nhân. Đó là những gì làm cho một máy tính lượng tử trở nên mạnh mẽ. Chưa hết, như Caltech’s Preskill đã viết vào năm 2012, việc xây dựng phần cứng lượng tử đáng tin cậy là một thách thức vì khó kiểm soát các hệ thống lượng tử một cách chính xác.

Sundar Pichai với một trong những Máy tính lượng tử của Google trong phòng thí nghiệm Santa Barbara, California, Hoa Kỳ. (Ảnh qua Reuters)

Đó có phải là những gì Google đã đạt được?

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh khả năng của một máy tính lượng tử. Họ đã xây dựng một kiến ​​trúc gồm 54 qubit bằng Sycamore, máy tính lượng tử của Google. Trong khi một trong số những qubit này không hoạt động, 53 qubit khác bị vướng vào trạng thái chồng chất.

Nhóm nghiên cứu đã soạn một chuỗi ngẫu nhiên gồm khoảng 1.000 hoạt động. Mỗi lần sau đó họ chạy thuật toán ngẫu nhiên này, máy tính lượng tử sẽ tạo ra một chuỗi bit.

Bây giờ, một số chuỗi bit có nhiều khả năng xảy ra hơn những chuỗi khác và có thể xác định những chuỗi nào có nhiều khả năng xảy ra hơn. Tuy nhiên, mạch lượng tử ngẫu nhiên càng phức tạp thì máy tính cổ điển càng khó xác định các chuỗi bit có khả năng xảy ra cao hơn - và độ khó tăng lên theo cấp số nhân. Google cho biết trong một email đã đạt được vị thế vượt trội khi họ chứng minh rằng bộ xử lý lượng tử chỉ mất 200 giây để tính toán một thuật toán ngẫu nhiên siêu phức tạp, trong khi siêu máy tính nhanh nhất phải mất 10.000 năm.

Cũng đọc | Ưu thế lượng tử trong máy tính: Đã thử nghiệm xong, sử dụng trong thế giới thực còn lâu mới sử dụng

Vậy, điều đó có ích lợi gì?

Không có, liên quan đến các ứng dụng thực tế. Nhiệm vụ đã thực hiện không quá quan trọng đối với cột mốc này; đó là nhiều hơn về thực tế là cột mốc quan trọng đã xảy ra ngay từ đầu, email từ Google cho biết. Nó trích dẫn anh em nhà Wright như một phép tương tự: Để họ chứng minh rằng hàng không là khả thi, việc máy bay hướng đến đâu, cất cánh và hạ cánh không quan trọng lắm, mà là nó hoàn toàn có thể bay.

Mọi người có bị thuyết phục không?

IBM đã phản bác khẳng định của Google rằng tính toán lượng tử của họ không thể được thực hiện bởi một máy tính truyền thống. Trong một bài đăng trên blog, IBM đã tuyên bố rằng tính toán được mô tả bởi các nhà nghiên cứu của Google có thể đạt được bởi một máy tính hiện có trong vòng chưa đầy hai ngày rưỡi, chứ không phải 10.000 năm.

Thật tình cờ, chính IBM đã tuyên bố một bước đột phá về tính toán lượng tử vào thứ Năm. Các nhà nghiên cứu của nó đã tạo ra một bước đột phá trong việc kiểm soát hành vi lượng tử của các nguyên tử riêng lẻ, chứng minh một khối xây dựng mới linh hoạt cho tính toán lượng tử, IBM cho biết trên trang web của mình. Bài báo được xuất bản trên tạp chí Khoa học. Nghiên cứu của Google xuất hiện trên Nature.

Đừng bỏ lỡ từ Giải thích | Dushyant Chautala: Già hơn tuổi, vị ‘phật’ 31 tuổi này kết nối với mọi người

Tiếp theo là gì?

Các nhà khoa học đang tìm cách cải thiện công việc của họ, bao gồm cả việc phát hiện và sửa lỗi. Đại học California, Santa Barbara lưu ý rằng nghiên cứu đã đạt được một công cụ rất thực tế để tạo ra các số ngẫu nhiên. Số ngẫu nhiên có thể hữu ích trong nhiều lĩnh vực khác nhau - bao gồm bảo vệ các khóa được mã hóa để giải mã, đây có thể là một vấn đề hóc búa đối với các chính phủ.

Máy tính lượng tử một ngày nào đó có thể dẫn đến những tiến bộ to lớn trong nghiên cứu khoa học và công nghệ. Trong số các lĩnh vực có thể đạt được là trí tuệ nhân tạo và các liệu pháp điều trị bằng thuốc mới. Tất cả những điều đó, tuy nhiên, còn một chặng đường dài.

Chia Sẻ VớI BạN Bè CủA BạN: