Cuộc đua công nghệ về máy tính lượng tử đang trở nên ngày càng căng thẳng khi các quốc gia hàng đầu trên thế giới công bố những tiến bộ ấn tượng trong lĩnh vực này. Mỹ và Trung Quốc đang cạnh tranh gay gắt, với mục tiêu trở thành quốc gia dẫn đầu trong việc phát triển máy tính lượng tử mạnh nhất thế giới. Vậy máy tính lượng tử là gì mà lại có thể khiến các cường quốc công nghệ cùng đổ dồn vào cuộc đua này? Hãy cùng V9 Tech tìm hiều trong bài viết sau.
Máy tính lượng tử: Công nghệ cách mạng
CEO của Microsoft đã từng nhấn mạnh tại hội nghị Microsoft Ignite rằng máy tính lượng tử là một trong ba công nghệ có khả năng thay đổi thế giới một cách sâu sắc, cùng với trí tuệ nhân tạo (AI) và thực tế ảo (VR). Công nghệ máy tính lượng tử đang được thúc đẩy bởi sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ khác và sự cần thiết phải giải quyết những vấn đề mà máy tính cổ điển gặp phải.
Hiện tại, các máy tính cổ điển hay còn gọi là máy tính truyền thống, vẫn đang là công cụ chính mà chúng ta sử dụng hàng ngày. Những máy tính này hoạt động dựa trên ngôn ngữ nhị phân, với các dữ liệu được mã hóa thành các bit có giá trị 0 hoặc 1. Máy tính thực hiện các phép toán bằng cách xử lý những bit này theo các chỉ dẫn lập trình cụ thể. Tuy nhiên, sự phát triển công nghệ đã dẫn đến giới hạn của máy tính cổ điển khi các bóng bán dẫn không thể thu nhỏ thêm nữa và nhu cầu ngày càng cao đối với khả năng tính toán mạnh mẽ hơn.
Máy tính lượng tử không hoạt động theo cách truyền thống. Nó sử dụng các hiệu ứng cơ học lượng tử như sự chồng chập và sự vướng víu lượng tử để thực hiện các phép toán. Thay vì sử dụng bit như trong máy tính cổ điển, máy tính lượng tử sử dụng các qubit (quantum bits). Một qubit có thể ở trạng thái 0, 1 hoặc cả hai trạng thái đồng thời nhờ vào tính chất chồng chập lượng tử.
Khác biệt giữa máy tính cổ điển và máy tính lượng tử
Để hiểu rõ sự khác biệt, hãy tưởng tượng một bài toán đơn giản như việc tìm đường ra khỏi mê cung. Máy tính cổ điển sẽ kiểm tra từng con đường một, lần lượt sắp xếp các con đường và tìm ra lối đi tốt nhất để ra khỏi mê cung. Quá trình này có thể mất rất nhiều thời gian, đặc biệt là đối với các mê cung phức tạp.
Ngược lại, máy tính lượng tử có khả năng kiểm tra tất cả các con đường đồng thời nhờ vào tính chất chồng chập lượng tử. Nó không cần phải thử từng con đường một mà có thể khám phá mọi khả năng đồng thời và nhanh chóng tìm ra lối đi tốt nhất. Điều này giống như việc máy tính lượng tử biết trước kết quả và đưa ra dự đoán ngay lập tức, giúp tiết kiệm thời gian đáng kể so với máy tính cổ điển.
Cấu trúc của máy tính lượng tử
Về mặt cấu trúc, máy tính lượng tử có ngoại hình khá đặc biệt. Nếu bạn đã xem phim như “Ant-man and Wasp” (2018), bạn có thể hình dung máy tính lượng tử giống như một cây đèn chùm khổng lồ. Cấu trúc của nó bao gồm một siêu chip lượng tử nằm ở trung tâm, xung quanh là các qubit được sắp xếp theo dạng bàn cờ. Các qubit phải có khả năng di chuyển tự do trên mạch để thực hiện các phép toán phức tạp.
Các nhà khoa học đã sử dụng môi trường cực kỳ lạnh, với nhiệt độ gần như tuyệt đối, để làm mát các chip lượng tử (chip lượng tử yêu cầu nhiệt độ “siêu mát” tới 0,015 K (-273° C)). Họ sử dụng helium hóa lỏng đặc biệt để giữ cho các qubit ở trạng thái ổn định và giảm thiểu các lỗi trong tính toán.
Phép tính Random Circuit Sampling
Một phép tính quan trọng trong nghiên cứu máy tính lượng tử là Random Circuit Sampling (lấy mẫu ngẫu nhiên). Phép tính này được dùng để đo lường khả năng tính toán của các máy tính lượng tử và chứng minh rằng chúng có thể vượt trội hơn máy tính cổ điển. Ví dụ, máy tính lượng tử của Google là Sycamore đã thực hiện phép tính này chỉ trong 3 phút 20 giây, trong khi siêu máy tính SUMMIT sẽ mất đến 10,000 năm để hoàn thành cùng một phép toán.
Kết quả này đã chứng minh rằng máy tính lượng tử có khả năng xử lý nhanh hơn rất nhiều và tiết kiệm năng lượng lên đến 10 triệu lần so với các máy tính cổ điển. Mặc dù kết quả này chưa được xác nhận chính thức, nhưng nó đánh dấu một cột mốc quan trọng trong sự phát triển của công nghệ.
Cuộc chạy đua máy tính lượng tử
Các công ty công nghệ hàng đầu như Google, Microsoft và IBM đang đầu tư mạnh mẽ vào việc phát triển máy tính lượng tử. Cuộc đua này không khác gì một cuộc “chạy đua vũ trang” trong lĩnh vực công nghệ, với những lợi ích tiềm năng khổng lồ mà máy tính lượng tử mang lại. Trung Quốc hiện đang nắm giữ hơn 3.000 bằng sáng chế liên quan đến công nghệ lượng tử, nhiều gấp đôi so với Mỹ và gấp ba lần Nhật Bản. Dự báo của Boston Consulting Group cho thấy công nghệ lượng tử có thể tạo ra giá trị lên đến 10 tỷ USD hàng năm vào năm 2030 và đạt 850 tỷ USD vào năm 2040.
Ứng dụng của máy tính lượng tử
Máy tính lượng tử có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau. Ví dụ, trong y học, các nhà nghiên cứu tại Viện Ung thư Roswell Park đã phát triển một kỹ thuật tối ưu hóa xạ trị nhanh hơn từ 3-4 lần nhờ vào máy tính lượng tử, giúp chẩn đoán chính xác hơn. Máy tính lượng tử cũng có thể phá vỡ các hệ thống mật mã hiện tại như RSA hay DSA, điều này có thể làm thay đổi cách chúng ta bảo mật thông tin.
Máy tính lượng tử cũng có thể cải thiện khả năng dự báo thời tiết, phân tích quỹ đạo của tàu vũ trụ và quản lý giao thông. Với khả năng tính toán siêu việt, nó có thể giúp dự đoán lộ trình đi lại nhanh nhất, tránh các đoạn đường tắc nghẽn, điều tiết giao thông hiệu quả hơn.
Kết luận
Máy tính lượng tử vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và phát triển, nhưng tiềm năng của nó là vô cùng lớn. Nó có thể thay đổi cuộc chơi trong nhiều lĩnh vực, từ vật lý, toán học, đến y học và nhiều lĩnh vực khác. Trong cuộc đua này, hy vọng Việt Nam sẽ có những bước tiến dài và không bị thụt lùi so với các quốc gia khác. Tuy hiện tại chúng ta chưa thể tạo ra một máy tính lượng tử như các quốc gia hàng đầu, nhưng với sự nỗ lực của các nhà khoa học và các nghiên cứu chuyên sâu, chúng ta có thể tiếp tục theo kịp và đóng góp vào sự phát triển của công nghệ máy tính lượng tử trong tương lai.
