Máy tính lượng tử hoạt động như thế nào và tại sao nó quan trọng

Máy tính đã thay đổi hoàn toàn xã hội. Ngay sau khi Thế chiến II kết thúc, các nhà khoa học đã sử dụng máy tính để giải quyết tất cả các vấn đề. Tiến độ nhanh đến không ngờ. Đến những năm 1970, máy tính gia đình đã ra đời.

Tuy nhiên, đối với tất cả những tiến bộ đó, một số vấn đề vẫn còn thực sự khó khăn. Cho dù máy tính có tốt đến đâu, những thách thức như bao thanh toán số lượng lớn hoặc tối ưu hóa các tuyến chuyển phát nhanh vẫn khó khăn.

Nhưng bit không phải là cách duy nhất để tính toán. Cơ học lượng tử - các quy tắc chi phối thế giới của các nguyên tử và phân tử - cũng có thể được sử dụng để tính toán. Và những tính toán được thực hiện theo một cách khác biệt đáng kể.

Hy vọng là một ngày nào đó những chiếc máy tính lượng tử này có thể giải quyết được những vấn đề khó khăn. Nhưng những gì thực sự là máy tính lượng tử, và chúng hoạt động như thế nào?

Máy tính lượng tử 16 qubit từ IBM (kinh nghiệm lượng tử của IBM)

Một cái nhìn chi tiết dưới vỏ máy tính lượng tử cho thấy lý do tại sao các nhà nghiên cứu hy vọng rằng những máy tính này sẽ rất mạnh mẽ và không mạnh mẽ như một thế hệ bộ xử lý mới của Intel. Không, một máy tính lượng tử thực tế có khả năng thay đổi thế giới. Các công ty như D-Wave, IBM và Google cùng với các phòng thí nghiệm nghiên cứu trên khắp thế giới đều đang chạy đua để sản xuất các máy tính lượng tử thực tế đầu tiên.

Điều gì làm cho một máy tính lượng tử khác nhau?

Để minh họa sự khác biệt giữa lượng tử và điện toán truyền thống, Daniel Lidar, giáo sư hóa học lý thuyết vật lý tại Đại học Nam California, sử dụng phép loại suy sau đây (mà tôi đã sửa đổi).

Hãy tưởng tượng bạn đang tìm kiếm một quả bóng đen trong một hộp chứa đầy những quả bóng trắng và bạn không thể nhìn thấy bên trong chiếc hộp. Để tìm quả bóng đen, bạn mù quáng lấy một quả bóng, kiểm tra màu sắc và ném nó đi nếu nó không có màu đen. Bạn có thể lấy quả bóng đen trong lần thử đầu tiên hoặc bạn có thể chọn quả bóng cuối cùng.

Kết quả rất có thể: Bạn phá hủy chiếc hộp trong sự thất vọng.

Bây giờ hãy chuyển sang một thuật toán lượng tử. Bàn tay lượng tử của bạn thò tay vào hộp, nhưng chúng không lấy một quả bóng. Thay vào đó, những bàn tay này nắm giữ xác suất đã chọn từng quả bóng - bao gồm cả quả bóng đen. Nếu hộp có 10 quả bóng, bàn tay lượng tử của bạn giữ 10 xác suất bằng nhau.

Tiếp theo, bạn chạy một thuật toán lượng tử làm tăng xác suất bóng có màu đen. Sau đó, bạn kiểm tra bàn tay của bạn: Thất vọng, quả bóng màu trắng. Bạn thò tay vào hộp. Nhưng lần này xác suất không bằng nhau: Xác suất bạn tìm thấy bóng đen bây giờ cao hơn so với các quả bóng khác.

Như thể lần thử trước đó đã ném đi một quả bóng trắng thêm cùng với quả bóng bạn tìm thấy. Điều này xảy ra cho mọi nỗ lực, vì vậy cơ hội tìm thấy bóng đen tăng lên nhanh chóng. Chìa khóa cho cách thay đổi các xác suất này là ở cách thức các trạng thái lượng tử của các qubit, hay trong các trường hợp tính toán, trong trường hợp tính toán.

Các trạng thái chồng chất lượng tử

Chúng ta hãy phá vỡ câu chuyện hộp bóng đó để xem tất cả hoạt động như thế nào.

Bàn tay lượng tử thò tay vào hộp và nắm lấy xác suất. Trong điện toán truyền thống, thông tin được lưu trữ dưới dạng các bit có giá trị xác định. Một bit là một hoặc không. Kiểm tra giá trị của một bit không sửa đổi nó theo bất kỳ cách nào.

Nhưng một qubit không đại diện trực tiếp cho giá trị của bit; nó giữ xác suất của qubit là một hoặc không. Đây được gọi là trạng thái chồng chất lượng tử của người Viking.

Tuy nhiên, khi chúng tôi kiểm tra giá trị của qubit, chúng tôi sẽ không nhận được xác suất. Phép đo cho thấy một hoặc một số 0, sự lựa chọn được xác định ngẫu nhiên từ xác suất của sự chồng chất. Đo lường đặt giá trị của qubit. Nếu chúng ta đo qubit và lấy một cái, kiểm tra lại cũng sẽ cho kết quả.

Khi chúng tôi chạm vào hộp, chúng tôi thực sự đang lấy một bộ qubit - đủ để đại diện cho tất cả các quả bóng. Các qubit được đưa vào trạng thái chồng chất giữ xác suất tìm thấy mỗi quả bóng. Vì tìm kiếm là hoàn toàn ngẫu nhiên, mỗi quả bóng được đại diện với xác suất bằng nhau.

Bây giờ chúng tôi chạy một thuật toán làm tăng xác suất tìm thấy bóng đen.

Bạn có thể hỏi: Làm thế nào bạn có thể tăng xác suất mà không lén lấy đỉnh? Câu trả lời nằm ở cách một qubit giữ xác suất. Một xác suất được đại diện bởi một số từ 0 đến 1. Nhưng qubit giữ biên độ xác suất, có thể dương hoặc âm.

Như Lidar nói: Thắng [T] của anh ấy là nơi có sự khác biệt thực sự. Không có khái niệm về xác suất âm [trong vật lý cổ điển], đó là vô nghĩa. Nhưng trong trường hợp lượng tử, chúng ta có thể có biên độ [a] âm [xác suất] triệt tiêu biên độ [xác suất] dương. Thông qua các thao tác của các can nhiễu này, chúng ta có thể bắt đầu hiểu làm thế nào điện toán lượng tử có thể có được lợi thế.

Hai điểm chính được ẩn trong trích dẫn đó. Khi biên độ âm đáp ứng biên độ dương, kết quả thực là một giá trị nào đó gần bằng 0, do đó xác suất của kết quả cụ thể đó sẽ giảm xuống; nếu hai biên độ dương gặp nhau, cơ hội của kết quả đó tăng lên. Đó là, chúng ta có thể thao túng xác suất của một kết quả cụ thể mà không cần đo lường qubit. (Hãy nhớ rằng, thực hiện phép đo sẽ phá hủy trạng thái chồng chất.)

Quan trọng hơn, qubit có thể được thực hiện để làm điều này với chính họ. Khi chúng ta nói về biên độ dương gặp biên độ âm, các biên độ này có thể đến từ cùng một qubit. Và nếu điều đó không khiến tâm trí bạn bị bẻ cong và ọp ẹp một chút, sẽ không có gì.

Do đó, một máy tính lượng tử có thể nhanh chóng giảm xác suất nhận được câu trả lời không chính xác và tăng tỷ lệ nhận được câu trả lời đúng. Đây chính xác là loại mẹo mà máy tính lượng tử sử dụng để tăng xác suất tìm đúng bóng.

Một quá trình dễ bị lỗi

Để thực hiện tính toán, trạng thái chồng chất của nhiều qubit được sửa đổi. Nhưng ở giữa những sửa đổi có chủ ý, môi trường cũng thay đổi trạng thái chồng chất. Tiếng ồn này là kẻ thù của điện toán lượng tử, phá hủy các trạng thái chồng chất gần như nhanh như chúng ta có thể tạo ra chúng.

Kết quả là các qubit không đáng tin cậy và dễ bị lỗi. Và những lỗi đó phải được phát hiện và sửa chữa.

Đây không phải là chuyện nhỏ. Như Lidar đưa ra: Số [W] e sẽ cần sử dụng mức độ dư thừa cao để đảm bảo tính toán lượng tử có thể được thực hiện chính xác. Vì vậy, sau đó, chi phí này là do mã hóa là gì? Chà, nó có thể khá nghiêm trọng, nó có thể là do hệ số 1.000 hoặc 1.000.000.

Nói cách khác, mỗi bit thông tin được mã hóa thành một đội quân qubit nhỏ thay vì một qubit duy nhất.

Cách chế tạo máy tính lượng tử

Có một số cách tiếp cận cơ bản để xây dựng một máy tính lượng tử. Cách tiếp cận phổ biến nhất giống như chúng ta xây dựng máy tính bây giờ, được gọi là mô hình mạch điện toán lượng tử.

Mỗi chương trình được chia thành một chuỗi các hoạt động logic cụ thể, hầu hết trong số đó sửa đổi biên độ xác suất của một qubit, tùy thuộc vào biên độ xác suất của một qubit thứ hai. Một máy tính lượng tử dựa trên mạch lấy một bộ qubit bắt đầu và thực hiện từng thao tác trong chương trình một cách tuần tự. Sau khi chạy chương trình, các trạng thái qubit được đọc để có câu trả lời.

IBM xây dựng các máy tính lượng tử loại này và thậm chí bạn có thể chơi với chúng. Nhưng chắc chắn rằng IBM hoặc bất kỳ mô hình mạch nào khác sẽ trở thành tiêu chuẩn. Thu nhỏ số lượng qubit và thời gian tồn tại đến một kích thước hữu ích không phải là nhiệm vụ dễ dàng.

Các công ty khác, như D-Wave và Google, cũng đang quan tâm. Nhưng cách tiếp cận của họ khá khác so với IBM và hầu hết các phòng thí nghiệm nghiên cứu. Cách tiếp cận phổ biến nhất để xây dựng một máy tính lượng tử là bám sát các ý tưởng từ các máy tính thông thường: các cổng logic thực hiện các hoạt động tuần tự. Nhưng cũng có thể làm cho máy tính hoạt động mà không cần hoạt động logic trực tiếp.

Trình tối ưu hóa lượng tử của D-Wave (D-Wave Inc.)

Sự khác biệt giữa hai cách tiếp cận là khá sâu sắc. Trong một máy tính sử dụng logic tuần tự, bố cục vật lý của máy tính khá đơn giản, nhưng trình tự hoạt động (hoặc chương trình) có thể trở nên dài và phức tạp. Bằng cách từ bỏ logic tuần tự, chương trình trở nên rất đơn giản - trên thực tế, hầu như không có chương trình nào, nhưng bố cục vật lý trở nên rất khó khăn, bởi vì mọi qubit phải được kết nối với tất cả các qubit khác.

Công ty khởi nghiệp D-Wave của Canada đã cung cấp một hình thức điện toán lượng tử hạn chế trong một thời gian, nhưng hiện tại, bộ xử lý của nó quá nhỏ để có thể xử lý các vấn đề thực tế. Bố cục của bộ xử lý D-Wave không kết nối tất cả các qubit với nhau. Kết quả là, nó chỉ có thể được sử dụng để giải quyết một số loại vấn đề chứ không phải các vấn đề khác.

Để làm phức tạp vấn đề, không thể biết từ hiệu suất của máy tính rằng nó là một máy tính lượng tử. Nó có thể là một máy tính truyền thống rất hiệu quả. Google và Lidar (những người không làm việc cho Google) đang sử dụng một cách tiếp cận tương tự như của D-Wave; tuy nhiên, sự khác biệt là họ đang nhắm đến việc kiểm soát các qubit ảnh hưởng lẫn nhau như thế nào. Từ đó, họ hy vọng chứng minh rằng phương pháp này dẫn đến một máy tính lượng tử.

Một vấn đề tìm kiếm một giải pháp lượng tử

Hầu hết mọi người, nếu họ biết về máy tính lượng tử, liên kết chúng với việc phá vỡ mã hóa. Mật mã học thời hiện đại dựa vào thực tế là rất khó tìm thấy các yếu tố chính của số lượng rất lớn.

Một máy tính lượng tử thực tế, rất có thể, sẽ chấm dứt điều đó. Nhưng có những ứng dụng ít độc ác hơn.

Điều thú vị nhất đang được phát triển là sử dụng máy tính lượng tử để giải quyết các vấn đề cơ học lượng tử. Đó là ứng dụng có khả năng sẽ thay đổi thế giới.

Cơ học lượng tử mô tả các tính chất của vật liệu, từ bông trong quần áo của bạn đến quang hợp ở thực vật. Ngay cả với các máy tính truyền thống mạnh nhất, việc tính toán các thuộc tính của bất kỳ phân tử nào chứa hơn 30 nguyên tử là điều không thể. Thay vào đó, chúng tôi sử dụng các phím tắt, không phải lúc nào cũng hoạt động tốt.

Một máy tính lượng tử có thể chính xác hơn nhiều, vì vậy chúng ta có thể tự tin hơn rất nhiều trong tính toán đó. Các nhà khoa học có thể tưởng tượng các tính chất kỳ lạ hơn nhiều, như các vật liệu làm mát khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, sau đó sử dụng máy tính lượng tử để xác định cấu trúc cần thiết. Và những đặc tính kỳ lạ thực sự không thể có thể được loại bỏ nhanh hơn.

Chúng ta gần nhau thế nào?

Máy tính lượng tử xuất hiện trên lý thuyết với các cuộc biểu tình đầu tiên vào những năm 1990. Tuy nhiên, bí mật của bạn vẫn an toàn và bạn sẽ không tìm thấy một máy tính lượng tử làm những việc bất chính vào tài khoản ngân hàng của mình. Các nhà nghiên cứu như Lidar không mong đợi một máy tính lượng tử thực tế trong một thời gian.

Lidar nói rằng với 100 qubit trong một thế giới không cần sửa lỗi lượng tử, thì chúng tôi có thể bắt đầu mô phỏng các hệ lượng tử bằng máy tính lượng tử ở quy mô vượt qua những gì có thể với các máy tính cổ điển mạnh nhất.

Nhưng các nhà nghiên cứu có một mục tiêu được gọi là, đáng báo động, tối cao lượng tử. Mặc dù có cái tên rất hoành tráng, nhưng uy quyền lượng tử chỉ cho thấy rằng bất kỳ vấn đề nào vượt quá khả năng của một máy tính truyền thống, ngay cả một máy tính không có giá trị thực tế đều có thể được giải quyết trên máy tính lượng tử.

Chứng minh rằng máy tính lượng tử có thể thực hiện như dự đoán là một bước quan trọng và không ai chắc chắn sẽ xảy ra. Nhưng chỉ sau đó chúng ta mới thực sự tin tưởng rằng các máy tính lượng tử trong tương lai có thể thực hiện theo lời hứa của họ.

Lidar hy vọng sẽ thấy một máy tính sẽ có khả năng đạt được uy quyền lượng tử trong 12 tháng tới. Google, đặc biệt, dường như đang nhắm đến mục tiêu đạt được uy quyền lượng tử càng nhanh càng tốt, trong khi IBM đang thực hiện một cách tiếp cận thận trọng hơn.

Sau đó, một tương lai âm u nhưng thú vị đang chờ chúng ta.