Điện toán lượng tử: Công nghệ máy tính thế hệ mới

Mèo Cọp

“This world is merciless.”
Thành viên thân thiết
Tham gia
25/11/2012
Bài viết
351
(kenhsinhvien.vn) Điện toán lượng tử là một kỷ nguyên ưu việt mới trong công nghệ máy tính.

1648386796971.png

Điện toán lượng tử là thế hệ công nghệ gắn liền với một loại máy tính nhanh hơn 158 triệu lần so với siêu máy tính tinh vi nhất chúng ta có ngày nay. Đó là một thiết bị mạnh đến mức nó có thể thực hiện chỉ trong 4 phút công việc mà siêu máy tính truyền thống phải mất 10.000 năm mới hoàn thành.

Hàng chục năm qua, máy tính đều được thiết kế với cùng kiểu dáng. Dù cho là những chiếc máy khổng lồ ở NASA hay laptop ở nhà bạn, về cơ bản chúng đều chỉ là những chiếc máy tính toán đặc biệt, nhưng quan trọng là chúng chỉ có thể thực hiện một công việc ở một thời điểm.

Chìa khoá mở ra cách thức mà mọi máy tính hoạt động là chúng xử lý và lưu trữ thông tin từ những chữ số nhị phân gọi là bit. Những bit này chỉ có hai giá trị là 1 và 0. Chính hai chữ số ấy đã tạo nên mã nhị phân mà máy tính phải đọc để thực hiện tác vụ cụ thể.

Điện toán lượng tử là gì?

Lý thuyết lượng tử là một nhánh của vật lý học chuyên về thế giới nguyên tử li ti và những hạt nhỏ hơn (hạ nguyên tử) bên trong nguyên tử. Khi bạn đào sâu vào thế giới nhỏ bé này, những định luật vật lý sẽ rất khác với thứ ta thấy xung quanh. Ví dụ, những hạt lượng tử có thể tồn tại ở nhiều trạng thái trong cùng một thời điểm. Hiện tượng đó được gọi là chồng chất lượng tử.

Thay vì sử dụng bit, máy tính lượng tử sẽ sử dụng bit lượng tử, hay gọi tắt là “qubit”. Trong khi bit truyền thống chỉ có thể là 1 hoặc 0, qubit có thể là 1, 0 hoặc cả hai cùng lúc.

Điều đó nghĩa là máy tính lượng tử không phải đợi một quá trình xử lý kết thúc rồi mới có thể bắt đầu một quá trình xử lý khác, mà nó có thể thực hiện cả hai cùng một lúc.

Tưởng tượng bạn có rất nhiều cánh cửa, những cánh cửa ấy đều bị khoá ngoại trừ một cái, và bạn cần tìm ra cánh cửa nào đang mở. Máy tính truyền thống sẽ cứ thử từng cánh cửa một, cho tới khi nó tìm ra cánh cửa không bị khoá. Việc đó có thể mất 5 phút, có thể mất một triệu năm, tuỳ thuộc vào số lượng cánh cửa ở đó. Nhưng máy tính lượng tử có thể thử mọi cánh cửa cùng lúc. Đây là ưu điểm khiến chúng nhanh hơn rất nhiều.

Cũng như chồng chất lượng tử, các hạt lượng tử cũng thể hiện hành vi lạ khác là vướng mắc lượng tử. Vướng mắc lượng tử cũng khiến công nghệ này có tiềm năng mang tính đột phá. Khi hai hạt lượng tử vướng mắc, chúng tạo nên một kết nối với nhau bất kể có cách xa thế nào. Khi bạn thay thế một hạt, hạt còn lại sẽ phản hồi theo cùng một cách, ngay cả khi chúng cách nhau hàng dặm. Einstein gọi đặc tính hạt này là “hành động ma quái từ xa”.


Các hạt lượng tử vướng mắc bắt chước hành vi của nhau ngay cả khi chúng cách nhau hàng dặm. Ảnh: Getty Images.

Các hạt lượng tử vướng mắc bắt chước hành vi của nhau ngay cả khi chúng cách nhau hàng dặm. Ảnh: Getty Images.

Những hạn chế về thiết kế

Cũng như tốc độ, một lợi thế khác mà máy tính lượng tử vượt trội hơn máy tính truyền thống là kích thước. Theo định luật Moore, năng lực tính toán sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm. Nhưng để thực hiện điều đó, các kỹ sư phải lắp ngày càng nhiều bóng bán dẫn vào bảng mạch. Một bóng bán dẫn giống như một công tắc bóng đèn siêu nhỏ có thể bật hoặc tắt. Đó là cách máy tính xử lý 0 và 1 bạn nhìn thấy trong mã nhị phân.

Để giải quyết những vấn đề phức tạp hơn, bạn sẽ cần nhiều bóng bán dẫn hơn. Nhưng bất kể bạn chế tạo bóng bán dẫn nhỏ thế nào, bạn chỉ có thể lắp vào bảng mạch một số lượng nhất định. Vậy điều đó nghĩa là gì? Nghĩa là dù sớm hay muộn, máy tính truyền thống cũng sẽ thông minh đến giới hạn. Đây là khi máy tính lượng tử có thể thay đổi thực trạng.

Sứ mệnh chế tạo máy tính lượng tử đã chuyển thành một cuộc đua trên toàn cầu, với một số công ty lớn nhất và chính những chính phủ trên hành tinh đang cạnh tranh để thúc đẩy công nghệ đi xa hơn, thúc đẩy sự tăng trưởng lợi nhuận trong cổ phiếu điện toán lượng tử trên thị trường tiền tệ.

Một ví dụ là thiết bị do D-Wave tạo ra. Công ty này chế tạo hệ thống Advantage mà công ty cho rằng là máy tính lượng tử đầu tiên và duy nhất được thiết kế để sử dụng trong doanh nghiệp.


Một kỹ sư làm việc trên hệ thống tủ lạnh pha loãng D-Wave. Ảnh: D-Wave.

Một kỹ sư làm việc trên hệ thống tủ lạnh pha loãng D-Wave. Ảnh: D-Wave.

D-Wave cho biết chiếc máy được thiết kế với một kết cấu bộ xử lý mới có hơn 5000 qubit và kết nối qubit 15 chiều, giúp các công ty giải quyết những vấn đề phức tạp nhất và lớn nhất trong kinh doanh.

Công ty khẳng định cỗ máy là máy tính lượng tử đầu tiên và duy nhất cho phép khách hàng phát triển và vận hành các ứng dụng lượng tử đang sản xuất trong thực tế ở quy mô lớn trên đám mây. Công ty cho biết Advantage nhanh hơn 30 lần và đưa ra giải pháp tương đương hoặc tốt hơn 94% thời lượng so với hệ thống thế hệ trước của nó.

Nhưng dù năng lực tính toán của máy tính lượng tử về lý thuyết có lớn, thì bạn cũng không cần phải vứt chiếc laptop cũ của mình vào thùng rác. Máy tính thông thường vẫn sẽ đóng góp vai trò ở bất kỷ kỷ nguyên mới nào, và phù hợp hơn rất nhiều đối với các tác vụ hàng ngày như bảng tính, gửi email và xử lý văn bản.

Nhưng lĩnh vực mà điện toán lượng tử có thể thực sự mang lại thay đổi toàn diện là trong phân tích dự báo. Vì máy tính lượng tử có thể phân tích và dự đoán ở tốc độ chóng mặt, nên nó sẽ có thể dự báo mô hình thời tiết và thực hiện mô hình hoá giao thông, những công việc mà có đến hàng triệu nếu như không muốn nói là hàng tỷ biến số luôn thay đổi.

Bên trong máy tính lượng tử D-Wave

Bên trong máy tính lượng tử D-Wave
1. Hệ thống làm mát
Một hệ thống làm mát sinh hàn dùng heli lỏng để giữ nhiệt độ lạnh hơn 180 lần so với không gian liên sao.
2. Lớp chắn
Có 16 lớp chắn giữa con chip lượng tử và bên ngoài, bảo vệ quá trình tính toán lượng tử.
3. Xả
Các đĩa đồng mạ vàng chuyên dụng hút nhiệt ra khỏi con chip để năng lượng và dao động không làm ảnh hưởng đến trạng thái lượng tử của bộ xử lý.
4. Cuộn niobium
Hàng trăm vòng niobium cực nhỏ đóng vai trò như những qubit. Khi được làm mát những cuộn này sẽ hiển thị hành vi lượng tử.
5. QPU
Đơn vị xử lý lượng tử (QPU) nằm ở đáy thiết bị trở nên lạnh dần cho tới khi gần bằng 0 tuyệt đối, mức nhiệt độ vật lý thấp nhất có thể.
6. Làm mát
Một hệ thống tủ lạnh phức tạp được tích hợp vì xử lý lượng tử cần nhiệt độ lạnh hơn 150 lần so với ngoài vũ trụ.
7. Kích thước không quan trọng
Khác với siêu máy tính truyền thống, máy tính lượng tử không cần số lượng phần cứng khủng nên chúng có thể khá nhỏ và thân thiện với môi trường.
8. Lá chắn ồn
Dây điện nối phải được bọc lại để cách từ trường vì từ trường có thể làm gián đoạn qubit.


Tại sao chúng ta cần điện toán lượng tử?

Máy tính tiêu chẩn có thể thực hiện nhiệm vụ được giao đủ tốt nếu chúng được con người cài chương trình phù hợp. Nhưng nói đến dự báo sự việc thì chúng không quá thông minh. Đó là lý do vì sao dự báo thời tiết luôn không chính xác. Có quá nhiều biến số, quá nhiều thứ thay đổi quá nhanh nên máy tính thông thường không thể bắt kịp.

Vì những hạn chế này, có một số phép toán mà một máy tính thông thường có thể sẽ không bao giờ có thể giải, hoặc nó có thể mất một tỷ năm theo nghĩa đen. Không ổn lắm nếu bạn cần gấp một dự báo hoặc một báo cáo phân tích.

Nhưng máy tính lượng tử thì rất nhanh, gần như nhanh vô hạn nên nó có thể phản hồi với thông tin thay đổi nhanh chóng và kiểm tra vô số kết quả và hoán vị đồng thời.

Máy tính lượng tử cũng khá nhỏ vì chúng không phụ thuộc vào bóng bán dẫn như máy tính truyền thống. Máy tính lượng tử cũng tiêu thụ khá ít điện năng, nghĩa là về lý thuyết chúng có thể tốt hơn cho môi trường.


Dịch bởi Kenhsinhvien.vn
(Theo Live Science)
 
×
Quay lại
Top