Với sự phát triển chuyên sâu của các mô hình trí tuệ nhân tạo, điện toán lượng tử, trí thông minh lấy cảm hứng từ não bộ, công cụ kỹ thuật số, âm thanh và video và các công nghệ khác, các công nghệ mới, mô hình mới và định dạng mới tiếp tục xuất hiện.
Ngoài ChatGPT, một chủ đề nóng khác gần đây đã thu hút sự chú ý là máy tính lượng tử. Trong khi đóng vai máy tính tương lai mạnh mẽ và thông minh MOSS trong bộ phim khoa học viễn tưởng "The Wandering Earth 2", nó cũng xuất hiện trên số 2 của tạp chí nổi tiếng Time với tiêu đề The Quantum Leap. Nhưng đối với công chúng, những cách hiểu và diễn giải thấy trên mạng dường như chỉ mang lại cảm giác mơ hồ khó hiểu, hàng loạt khái niệm hiểu nửa vời chỉ có thể quy về những cụm từ hiểu nửa vời trong cuộc đối thoại.
Vậy, chúng ta nên hiểu máy tính lượng tử như thế nào? Nó có liên quan gì đến ChatGPT? Trong giai đoạn mới của kỷ nguyên số, chúng ta nên hiểu đúng, tận dụng và có kỳ vọng thực tế hơn về nó như thế nào? Điện toán lượng tử mười câu hỏi và mười câu trả lời cho bạn từng người một.
1. Chính xác thì "lượng tử" và "điện toán lượng tử" là gì?
2. Tại sao máy tính lượng tử lại quan trọng với chúng ta?
3. Sự khác biệt giữa máy tính lượng tử và máy tính thông thường của chúng ta là gì?
4. "Lượng tử lượng" càng lớn thì máy tính lượng tử càng mạnh?
5. Máy tính lượng tử có thực sự "toàn năng"?
6. Làm thế nào để tạo ra một chiếc “máy tính tương lai” “vạn năng”?
7. Điện toán lượng tử hiện nay có ứng dụng thực tế không?
8. Điện toán lượng tử có phù hợp hơn cho mô phỏng không?
9. Những công ty và tổ chức nào trong và ngoài nước hiện đang làm điện toán lượng tử?
10. Công việc nào còn phải làm trước khi điện toán lượng tử được đưa vào sử dụng thực tế? Làm thế nào chúng ta có thể tăng tốc độ thực hiện ứng dụng thực tế?
Lượng tử (tiếng Anh: Quantum) là một khái niệm quan trọng trong vật lý hiện đại, được coi là đơn vị đại lượng vật lý nhỏ nhất và không thể chia cắt cấu tạo nên vũ trụ bao la và vạn vật trên thế giới. Ví dụ, ánh sáng mặt trời bao gồm các photon và năng lượng do các photon mang theo hiện tại không thể phân chia thêm nữa, vì vậy các photon có thể được gọi là lượng tử. Ngoài ra, electron, neutrino và quark cũng có thể được gọi là lượng tử. Đối với các hạt vi mô như nguyên tử, ion, proton và neutron, năng lượng mà chúng mang thay đổi theo các điều kiện khác nhau, vì vậy không thể đánh giá một cách đơn giản liệu chúng có thể được gọi là lượng tử hay không.
Các đặc tính vật lý của lượng tử hoàn toàn khác với các vật thể trong tự nhiên (như quả bóng đá, chai nước giải khát), và thậm chí nằm ngoài khả năng cảm nhận và trí tưởng tượng thông thường của người bình thường: chẳng hạn, lượng tử có thể bay trong không khí giống như một quả bóng được đá, hoặc nó có thể giống như sóng nước Ví dụ, nếu đặt một chai nước uống trên mặt bàn nằm ngang, thì chai nước chỉ có thể duy trì một trong ba trạng thái "thẳng đứng", "lộn ngược" và "nằm xuống", trong khi cùng một Lượng tử đặt trên máy tính để bàn có thể duy trì ba trạng thái "thẳng đứng", "nghịch" và "nằm" cùng một lúc.
Hơn 100 năm trước, các nhà vật lý nổi tiếng như Planck và Einstein đã phát hiện ra các tính chất vật lý độc đáo của các hạt vi mô này và cuối cùng đã tóm tắt các tính chất này thành "cơ học lượng tử", một trong hai nền tảng của vật lý hiện đại. Chúng ta có thể gọi chung công nghệ thông tin dựa trên nguyên lý cơ học lượng tử là công nghệ thông tin lượng tử, chủ yếu bao gồm điện toán lượng tử, truyền thông lượng tử và đo lường lượng tử.
Hiện tại, sức mạnh tính toán được hiện thực hóa dựa trên công nghệ điện toán nổi tiếng với CPU làm cốt lõi; trong tương lai, công nghệ điện toán lượng tử sẽ là công nghệ điện toán thế hệ tiếp theo tiên tiến hơn và hứa hẹn hơn để hiện thực hóa sức mạnh tính toán trong tương lai. Công nghệ điện toán lượng tử được ví như viên ngọc sáng trên đỉnh cao của khoa học và công nghệ, đã thu hút sự quan tâm của giới học thuật và giới công nghiệp.
Từ góc độ xã hội, máy tính lượng tử là đại diện cho năng suất kỹ thuật số tiên tiến. Một số nguyên mẫu máy tính lượng tử được ngành công bố, chẳng hạn như Platanus của Google, Hệ thống Q của IBM và Cửu chương của Viện Khoa học Trung Quốc, đã dần chứng minh một số lợi thế về sức mạnh tính toán trong các thí nghiệm nghiên cứu khoa học: khi hoàn thành tính toán cụ thể các tác vụ, chúng có thể thể hiện nhiều hơn siêu Hiệu quả tính toán của máy tính cao gấp hàng nghìn lần. Vật liệu, y học, tài chính, hậu cần, sản xuất và nhiều ngành công nghiệp khác đã bắt đầu được chú ý, khám phá và thử nghiệm. Ảnh hưởng của máy tính lượng tử trong lĩnh vực bảo mật thông tin và tính toán hiệu suất cao về cơ bản đã trở thành sự đồng thuận của ngành, thu hút sự chú ý lớn từ tất cả các quốc gia. Hiện tại, hơn mười quốc gia đã công bố các chiến lược liên quan đến điện toán lượng tử, và việc nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử đã trở thành một điểm nóng quốc tế trong một thời gian.
Đối với những người bình thường chúng ta, máy tính lượng tử vẫn còn hơi xa vời, nhưng chúng rất đáng để mong đợi. Mặc dù ứng dụng trưởng thành của máy tính lượng tử dự kiến sẽ mất nhiều thập kỷ hoặc thậm chí lâu hơn, nhưng ứng dụng dần dần của nó trong một số tình huống được chia nhỏ sẽ mang lại cho chúng ta một số bất ngờ trong tương lai gần. Ví dụ, hỗ trợ phát triển các loại thuốc đặc trị cho các bệnh nan y, thúc đẩy phát triển các loại vải mới nhẹ hơn và thoải mái hơn... Tất nhiên, việc máy tính lượng tử xâm nhập vào hàng nghìn hộ gia đình như một món hàng có thể còn xa vời hơn, nhưng không ai có thể dự đoán được tốc độ phát triển và phổ biến của công nghệ.
Máy tính lượng tử và máy tính, sự khác biệt là gì?
Phần tử tính toán nhỏ nhất của máy tính lượng tử tiên tiến và mạnh mẽ hơn nhiều so với phần tử tính toán thông thường (điện thoại thông minh, máy tính xách tay, máy tính công nghiệp, máy chủ...). Đây là sự khác biệt cơ bản nhất giữa hai thứ này và 7 sự khác biệt khác bắt nguồn từ nó.
Câu trả lời cho câu hỏi này hơi khó hiểu, nhưng chúng tôi cố gắng giải thích nó theo cách phổ biến. Nếu bạn có thể kiên nhẫn đọc đoạn tường thuật sau đây và cố gắng hiểu nó, thì bạn đã bước đầu nắm vững kiến thức để hiểu và thậm chí dự đoán xu hướng tương lai của nền văn minh kỹ thuật số.
Trước hết, nếu bạn muốn hiểu sự khác biệt giữa hai loại này, trước tiên bạn phải hiểu một số kiến thức cơ bản:
Toán học là môn khoa học lâu đời nhất của loài người và là một trong những môn khoa học cơ bản nhất của loài người, giúp con người hiểu thế giới dưới góc độ những con số và tồn tại trong thế giới.
Các công cụ tính toán là những công cụ do con người phát minh ra để sử dụng toán học tốt hơn. Chẳng hạn như bàn tính, máy tính điện tử, máy tính. Thông thường, đầu tiên người ta phân tách và trừu tượng hóa bài toán cần giải thành một số điều kiện đầu vào và mô hình toán học, sau đó sử dụng các công cụ tính toán để thực hiện các phép tính, cuối cùng thu được các tham chiếu để giải bài toán từ kết quả tính toán.
Phần tử tính toán nhỏ nhất là phần tử vật lý nhỏ nhất có thể được thao tác (viết, lưu trữ, đọc) bằng một công cụ tính toán và biểu thị một giá trị được tính toán. Bản chất tiên tiến của các thành phần điện toán nhỏ nhất quyết định phần lớn giới hạn trên của khả năng tính toán của một loại công cụ điện toán. Vậy đơn vị tính toán nhỏ nhất của các công cụ tính toán khác nhau là gì?
Bàn tính: Phần tử tính toán nhỏ nhất của bàn tính là một hạt ở hàng dưới của bàn tính, biểu thị giá trị tính toán là 1, quay số lên có nghĩa là +1 và quay số xuống có nghĩa là -1;
Máy tính thông thường: Đối với các máy tính thông thường như điện thoại thông minh, máy tính xách tay, máy tính công nghiệp, máy chủ, v.v., đơn vị tính toán nhỏ nhất là một bóng bán dẫn trên bộ xử lý trung tâm (CPU) và giá trị có thể được biểu thị là 0 hoặc 1. Giá trị 1 được biểu thị khi bật nguồn bóng bán dẫn và giá trị 0 được biểu thị khi tắt nguồn bóng bán dẫn. Trong nguyên lý tính toán cổ điển, một bóng bán dẫn đại diện cho một chữ số nhị phân, được gọi là bit (tiếng Anh: Bit);
Máy tính lượng tử: Đơn vị tính toán nhỏ nhất của máy tính lượng tử là thành phần cốt lõi của máy tính lượng tử - một lượng tử trên bộ xử lý lượng tử (QPU). Giá trị có thể được biểu diễn có thể là 0 hoặc 1 hoặc một chuỗi các tổ hợp xác suất của 0 và 1 ( Ví dụ: 80% của 0+20% của 1, hoặc 40% của 0+60% của 1… Cái này khó hiểu hơn, bạn không cần hiểu, chỉ cần biết thôi) . Khi người ta gửi các xung điện cụ thể đến lượng tử thông qua thiết bị đầu vào của máy tính lượng tử, thì lượng tử có thể biểu thị các giá trị khác nhau. Trong nguyên lý tính toán lượng tử, một lượng tử đại diện cho một đơn vị đo lường nhỏ nhất, được gọi là bit lượng tử (tiếng Anh: Qubit).
Cho đến nay chúng ta có thể thấy rằng một lượng tử có thể biểu thị nhiều giá trị tính toán hơn so với một bóng bán dẫn. Điều này cũng giống như Tôn Ngộ Không, người có năng lực hơn người thường, hơn nữa do đặc tính “trạng thái chồng chất” của lượng tử nên một lượng tử có thể duy trì nhiều trạng thái cùng lúc, nghĩa là nó có thể biểu diễn nhiều giá trị tính toán cùng một lúc. Giống như Tôn Ngộ Không không chỉ mạnh mẽ mà còn có nhiều phân thân cùng lúc, mỗi phân thân đều mạnh ngang với hắn.
Ảnh: "Trạng thái chồng chất" của lượng tử giống như nhiều hình đại diện của Tôn Ngộ Không
Sau khi hiểu được sự khác biệt cơ bản, hãy bắt đầu tiết lộ phần còn lại của câu trả lời cho sự khác biệt giữa máy tính lượng tử và máy tính thông thường của chúng ta:
1. Công nghệ sản xuất linh kiện máy tính nhỏ nhất có khác (công nghệ chip lượng tử): chip của máy tính lượng tử hiện được điều chế bằng nhiều con đường kỹ thuật khác nhau như siêu dẫn, quang lượng tử, bẫy ion, trong khi chip của máy tính cổ điển chủ yếu sử dụng kỹ thuật in thạch bản máy móc;
2. Số lượng yếu tố điện toán tối thiểu chứa trong một con chip là khác nhau: GPU Nvidia H100 mới nhất chứa khoảng 50 tỷ bóng bán dẫn, trong khi chip lượng tử Osprey mới nhất của IBM chỉ chứa 433 lượng tử;
3. Sự khác biệt về khả năng tính toán: Một máy tính lượng tử chỉ có khoảng 50 lượng tử đã có thể nhanh hơn hàng nghìn, thậm chí hàng chục nghìn lần so với máy tính cổ điển có khả năng tính toán mạnh nhất khi hoàn thành các tác vụ tính toán cụ thể;
4. Hệ thống phần cứng khác nhau: Do công nghệ chip khác nhau và đang trong giai đoạn đầu nghiên cứu và phát triển nên so với máy tính cổ điển, máy tính lượng tử hiện tại cần có hệ thống và thiết bị hỗ trợ chuyên dụng. Ví dụ: tủ lạnh, hệ thống điều khiển kỹ thuật số-tương tự, v.v. Điều này cũng làm cho máy tính lượng tử hiện tại có vẻ ngoài cồng kềnh, hơi giống máy tính điện tử mới ra đời cách đây 60 năm;
Hình: Máy tính điện tử cách đây hơn 60 năm
5. Các hệ thống phần mềm khác nhau: Một mặt, các thuật toán và ứng dụng của điện toán lượng tử cần phải thích ứng với nguyên tắc của điện toán lượng tử, vốn rất khác so với máy tính cổ điển. Tuy nhiên, nhiều nhóm R&D đã tung ra các công cụ phát triển phần mềm điện toán lượng tử (chẳng hạn như Qiskit của IBM, Cirq của Google...) để giúp việc phát triển trở nên thuận tiện hơn; Máy tính cần một trình soạn thảo đặc biệt để biên dịch phần mềm;
6. Các lĩnh vực ứng dụng khác nhau: Ngành công nghiệp nói chung tin rằng so với máy tính cổ điển, máy tính lượng tử hiện tại sẽ được sử dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực sau: nghiên cứu và phát triển vật liệu và thuốc, tối ưu hóa danh mục đầu tư tài chính, lập kế hoạch hậu cần, đào tạo máy học, thời tiết dự báo... trong khi máy tính cổ điển đã được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực, thúc đẩy quá trình số hóa toàn xã hội.
7. Sự trưởng thành kỹ thuật khác nhau: kể từ khi chiếc máy tính điện tử đầu tiên ra đời vào năm 1946, sau hơn 60 năm, công nghệ, kỹ thuật và dây chuyền công nghiệp của máy tính cổ điển đã trưởng thành, mặt khác, hàng chục tỷ bóng bán dẫn được tích hợp trên bề mặt ;và nghiên cứu kỹ thuật và phát triển máy tính lượng tử chỉ bắt đầu vào khoảng năm 2012, và nó chỉ mới được 10 năm, các máy tính lượng tử được công bố cho đến nay giống như nguyên mẫu và máy xác minh công nghệ. Các công nghệ khác nhau, Chuỗi công nghệ và công nghiệp vẫn chưa ổn định, chứ đừng nói là hoàn hảo.
Tại sao lại có khái niệm "lượng tử lượng"? Đây là một chỉ số độc lập với phần cứng được giới thiệu bởi ngành công nghiệp để mô tả chính xác hơn hiệu suất của máy tính lượng tử với các lộ trình kỹ thuật khác nhau. Khối lượng tử thể hiện kích thước lớn nhất của một mạch lượng tử vuông mà một máy tính lượng tử có thể thực hiện thành công. Theo thuật ngữ thông thường, chỉ số hiệu suất này có liên quan đến các chỉ số vật lý như số lượng qubit, độ sâu tối đa của mạch lượng tử, độ trung thực, khả năng kết nối và nhiễu xuyên âm. Nói chung, khối lượng tử của máy tính lượng tử càng lớn thì nó càng có thể giải quyết các vấn đề phức tạp hơn.
The Wandering Earth 2 được phát hành vào đầu năm đã khiến máy tính lượng tử trở nên phổ biến trở lại và khái niệm về lượng tử cũng xuất hiện trong phim. Nhưng điều đáng nói là mặc dù MOSS rất khoa học viễn tưởng, nhưng khối lượng lượng tử danh nghĩa 8192 của nó rõ ràng là quá nhỏ. Vào tháng 10 năm 2022, công ty điện toán lượng tử Quantinuum đã đạt được mục tiêu 8192 trong máy tính lượng tử bẫy ion 20 bit, nhưng nguyên mẫu điện toán lượng tử vẫn còn lâu mới có thể thực hiện được.
Là một chỉ số đo lường hiệu suất, khối lượng lượng tử đã cho thấy một mức độ khoa học và tính linh hoạt nhất định ở giai đoạn này. Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chip lượng tử, các chỉ số đánh giá phù hợp hơn có thể xuất hiện trong tương lai. Ví dụ, IonQ đã giới thiệu chỉ số "qubit thuật toán" để thay thế khối lượng tử. Trong quá trình hiện thực hóa dần máy tính lượng tử, có thể thấy trước rằng sẽ có nhiều chỉ số đánh giá phù hợp hơn với sự phát triển của công nghệ.
Nhưng máy tính lượng tử không phải là toàn năng. Mặc dù từ quan điểm thực tế, rõ ràng là máy tính sẽ ngày càng trở nên mạnh mẽ hơn trong tương lai và các dịch vụ máy tính trong tương lai có sẵn mọi lúc, mọi nơi và mọi nơi có thể được mong đợi, nhưng máy tính vẫn chưa phải là "toàn năng". Và điều này được xác định bởi cơ sở lý thuyết của máy tính-toán học. Có một nhánh toán học gọi là lý thuyết tính toán và lý thuyết độ phức tạp tính toán, cho chúng ta biết rằng rất nhiều vấn đề trên thế giới không thể giải quyết bằng tính toán, bất kể sử dụng công cụ tính toán nào, máy tính lượng tử cũng không ngoại lệ.
Nói tóm lại, máy tính lượng tử phù hợp hơn cho các bài toán tính toán đòi hỏi khối lượng tính toán lớn ngay cả với các thuật toán tốt nhất nếu máy tính cổ điển được sử dụng. Một ví dụ sinh động là bài toán “mò kim đáy bể”: thuật toán giải bài toán này rất đơn giản, đó là tìm mọi ngóc ngách của biển mà một cây kim có thể chui xuống. Tuy nhiên, khối lượng công việc của câu hỏi này rất lớn, phải tìm kiếm trên cả vùng biển rộng lớn, từ mặt biển cho đến đáy biển. Các vấn đề tương tự cũng bao gồm tra cứu một số trong danh bạ điện thoại mà không có chỉ mục, tìm ảnh hồ sơ của bạn trong số rất nhiều khuôn mặt, v.v. Mặc dù vậy, các vấn đề như BQP đã có thể được ánh xạ tới nhiều tình huống ứng dụng như tối ưu hóa danh mục đầu tư tài chính, tối ưu hóa hậu cần và vận tải. Nếu máy tính lượng tử thực sự có thể giải quyết những vấn đề này trong tương lai, đóng góp cho xã hội sẽ rất lớn.
Điều đáng nói là việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mô hình quy mô lớn trí tuệ nhân tạo như ChatGPT, hiện đang được thảo luận sôi nổi, cũng có thể liên quan đến điện toán lượng tử. Mặc dù chưa có câu trả lời chắc chắn, nhưng điện toán lượng tử được kỳ vọng sẽ đóng vai trò tích cực trong việc phát triển và cải tiến các mô hình lớn về mặt nén mô hình, tốc độ đào tạo và hiệu suất mô hình, điều đáng được quan tâm hơn nữa.
Từ quan điểm vật lý, máy tính lượng tử sử dụng các nguyên tắc cơ học đặc biệt của các hạt vi mô để thực hiện các phép tính, vì vậy những vấn đề nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tế cũng dựa trên cơ học lượng tử về mặt lý thuyết sẽ phù hợp hơn để máy tính lượng tử giải quyết. Những gì chúng ta có thể nghĩ trực tiếp, chẳng hạn như hóa học tính toán, mô phỏng phân tử, nghiên cứu và phát triển vật liệu mới, nghiên cứu và phát triển thuốc y tế... Những vấn đề này đều liên quan đến việc nghiên cứu và sử dụng các tính chất của vật chất ở cấp độ nguyên tử và phân tử, đồng thời phát triển các cấu trúc nguyên tử hoặc phân tử với các tính chất đặc biệt không tồn tại trong tự nhiên. Máy tính lượng tử có thể sẽ là lựa chọn tốt hơn trong tương lai.
Hãy nói ngắn gọn về những gì máy tính lượng tử không giỏi. Do nguyên tắc thực hiện của máy tính lượng tử, có một vấn đề lớn trong quá trình nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử hiện nay: vấn đề tiếng ồn. Nói một cách đơn giản, khi vận hành điện toán lượng tử, tính ổn định của bản thân lượng tử, ảnh hưởng lẫn nhau giữa lượng tử và bản thân thao tác đều sẽ tạo ra nhiễu không cần thiết cho bản thân tác vụ điện toán. Các nhiễu loạn này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả tính toán, thậm chí có thể gây gián đoạn và sai sót trong tính toán. Mặc dù các nhà khoa học không ngừng cải tiến các công nghệ sửa lỗi và tách rời lượng tử để tăng xác suất tính toán chính xác, nhưng chúng vẫn không thể đạt tới 100%.
Máy tính lượng tử hiện tại không thể tính toán trực tiếp kết quả và chỉ có thể thu được kết quả xác định thông qua quan sát với một xác suất nhất định. Giống như để máy tính lượng tử hiện tại tính toán "1+1", chỉ một xác suất nhất định mới có thể ra kết quả là 2, huống hồ là để máy tính lượng tử tính toán những bài toán phức tạp hơn.
Mặc dù máy tính cổ điển có thể mắc lỗi, nhưng chip cổ điển có khả năng tự động tìm lỗi và sửa chúng, do đó cuối cùng có thể thu được kết quả chính xác. Do đó, mức độ hiện tại của máy tính lượng tử không tốt trong các vấn đề tính toán số chính xác như vậy và các vấn đề quyết định logic so với máy tính cổ điển. Tuy nhiên, lĩnh vực điện toán lượng tử cũng đang phát triển công nghệ sửa lỗi phù hợp với các đặc tính lượng tử. Mã sửa lỗi lượng tử và lý thuyết chịu lỗi lượng tử có thể sử dụng nhiều qubit không hoàn hảo để tạo ra các qubit hoàn hảo hơn thông qua thiết kế toán học phức tạp và thông qua các hoạt động lượng tử chịu lỗi cụ thể để đạt được nhiều bước hơn và tính toán chính xác hơn. Cuối cùng, khi các mã sửa lỗi được sử dụng ngày càng trở nên mạnh mẽ hơn, tỷ lệ lỗi của toàn bộ quá trình tính toán có thể được kiểm soát gần bằng không. Bằng cách này, máy tính lượng tử có thể thực hiện chính xác các phép tính mà chúng ta muốn đạt được.
"Ai giỏi việc gì họ giỏi" là một sự đồng thuận tương đối rõ ràng trong ngành về sự phát triển của máy tính trong tương lai. Nói cách khác, đó là giao các nhiệm vụ tính toán khác nhau cho các đơn vị tính toán và hệ thống tính toán giỏi về nó. Như đã đề cập trước đó, máy tính cổ điển và máy tính lượng tử có những nhiệm vụ tính toán riêng mà chúng giỏi, vì vậy nếu bạn hình dung ý tưởng sản xuất máy tính trong tương lai, một biện pháp rất quan trọng là tạo ra máy tính lượng tử và kết hợp máy tính lượng tử với máy tính cổ điển để tích hợp hệ thống. Thậm chí kết nối thành một mạng điện toán.
Chế tạo máy tính lượng tử cũng giống như máy tính cổ điển, ở chỗ phải tạo ra hệ thống phần cứng và hệ thống phần mềm trước.
Hệ thống phần cứng để sản xuất máy tính lượng tử vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển ban đầu, độ khó kỹ thuật tương đối cao. Trước hết, cần chế tạo bộ phận tính toán lõi của máy tính lượng tử - bộ xử lý lượng tử (tiếng Anh là QPU, còn được gọi là chip lượng tử). QPU là một hệ thống phần cứng chuẩn bị và lưu đơn vị điện toán nhỏ nhất "qubit" cho điện toán lượng tử và chức năng của nó tương tự như chức năng của CPU. Hiện tại, có ít nhất 7 lộ trình kỹ thuật để chuẩn bị qubit, được các tổ chức nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử hàng đầu áp dụng, bao gồm lượng tử siêu dẫn, lượng tử quang học và bẫy ion, cũng như các nguyên tử lạnh trung tính, chấm lượng tử, kim cương NV trung tâm màu và cấu trúc liên kết, lượng tử, v.v. cũng đang được nghiên cứu và phát triển liên tục.
Thứ hai, với QPU, QPU cần phải chạy, tạo lượng tử và thao tác lượng tử để tính toán. Do đó, một loạt các hệ thống hỗ trợ cũng cần thiết. Các hệ thống hỗ trợ phổ biến bao gồm: hệ thống đo lường và điều khiển, thiết bị và linh kiện đông lạnh, khoang chân không cực cao, laser, máy dò photon, v.v. QPU và các hệ thống hỗ trợ tạo thành "máy chủ" của máy tính lượng tử.
Thứ ba, đầu vào và đầu ra của máy tính lượng tử hiện yêu cầu sự hỗ trợ của máy tính cổ điển, vì vậy máy tính chủ của máy tính lượng tử thường được kết nối với một số máy tính cổ điển, để người vận hành có thể nhập các tác vụ điện toán thông qua bàn phím và chuột hoặc nhập máy tính nhiệm vụ từ các hệ thống máy tính khác.
Máy tính lượng tử cũng yêu cầu phần mềm. Trước hết, cần có một loạt phần mềm cơ bản, tương tự như "trình điều khiển bo mạch chính" và "hệ điều hành" hiện tại, để quản lý và điều khiển phần cứng máy tính lượng tử, biên dịch và chạy phần mềm máy tính lượng tử; thứ hai, "ngôn ngữ và công cụ lập trình" là cần thiết để viết phần mềm lượng tử Và các thuật toán, bởi vì các nguyên tắc của máy tính lượng tử khác với máy tính thông thường, ngôn ngữ và công cụ đặc biệt cũng được yêu cầu; thứ ba, để giải quyết các vấn đề thực tế trong thực tế, máy tính lượng tử cần cài đặt phần mềm lượng tử tương ứng, chẳng hạn như phần mềm phân tích hóa học lượng tử, phần mềm mô phỏng lượng tử...; thứ tư, bên trong phần mềm lượng tử, nó thường được tải các thuật toán lượng tử có liên quan để hoàn thành công việc tính toán;
QPU, hệ thống hỗ trợ, hệ thống đầu vào và đầu ra, phần mềm cơ bản, ngôn ngữ và công cụ lập trình, ứng dụng, thuật toán, các hệ thống phần cứng và phần mềm này cần phải hoạt động đồng thời để thực sự sử dụng sức mạnh tính toán tuyệt vời của máy tính lượng tử và tạo ra giá trị cho xã hội.
Nghiên cứu khoa học và khám phá kết hợp máy tính lượng tử với QPU làm lõi điện toán và máy tính cổ điển với CPU + GPU làm lõi điện toán lần đầu tiên bắt đầu trong lĩnh vực điện toán hiệu năng cao. Điện toán hiệu năng cao là một lĩnh vực máy tính theo đuổi sức mạnh tính toán cực cao, nó đã dẫn dắt sự phát triển của toàn bộ ngành công nghiệp máy tính, nhiều công nghệ trong ngành máy tính, chẳng hạn như Hadoop, lần đầu tiên được phát triển bởi lĩnh vực điện toán hiệu năng cao. Ví dụ, trên bình diện quốc tế, nhóm điện toán lượng tử của IBM đã biến máy tính lượng tử thành cốt lõi của điện toán hiệu năng cao thế hệ tiếp theo và "Dự án chung về điện toán hiệu năng cao châu Âu (EUroHPC JU)" đã khởi động nghiên cứu thử nghiệm về tích hợp máy tính lượng tử và siêu máy tính; các công ty chip Nvidia gần đây cũng đã ra mắt QUDA, một nền tảng điện toán lai có thể tích hợp điện toán lượng tử và các cuộc gọi tài nguyên điện toán hiệu suất cao; các nhà cung cấp dịch vụ điện toán đám mây như Amazon và Microsoft cũng đã phát hiện ra xu hướng này, chuyển các khả năng của máy tính lượng tử sang đám mây và mở ra liên tiếp Cung cấp các dịch vụ nền tảng đám mây điện toán lượng tử. Kỷ nguyên điện toán hiệu năng cao 3.0 của CPU+GPU+QPU đã bắt đầu.
Người ta tin rằng với sự phát triển không ngừng của nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử, cũng như sự tích hợp và phối hợp phát triển lẫn nhau của máy tính lượng tử và máy tính cổ điển, một "máy tính tương lai" mạnh mẽ nhất định sẽ ra mắt trong tương lai gần. trong lịch sử nhân loại trong "The Wandering Earth 2", Đảm nhận những nhiệm vụ và trách nhiệm quan trọng.
Trong số đó, con đường máy tính lượng tử siêu dẫn là rực rỡ nhất, luôn dẫn đầu. Hiện tại, hầu hết các công ty công nghệ trong và ngoài nước đều chọn con đường siêu dẫn để bố trí và đầu tư lâu dài, và đều đạt kết quả tốt vào năm 2022. IBM đã phát hành chip điện toán lượng tử 433 qubit theo lịch trình, hiện là mức cao nhất theo hướng siêu dẫn của thế giới và dự kiến sẽ đạt 1.000 qubit vào năm 2023. Google quan tâm nhiều hơn đến chất lượng của qubit và đã đạt được tiến bộ liên tục trong việc sửa lỗi lượng tử.
Đặc điểm của con đường bẫy ion là thời gian kết hợp của các bit cực kỳ dài, do đó có thể chuẩn bị các cổng logic lượng tử có độ trung thực cao (hơi giống với các cổng logic bao gồm các bóng bán dẫn trên chip), do đó độ trung thực của cổng rất cao. Mặc dù máy tính lượng tử bẫy ion gặp nhiều khó khăn hơn trong việc tăng số lượng bit (~20 bit), nhưng những ưu điểm độc đáo của nó có thể được phản ánh bởi thể tích lượng tử chỉ số (QV) đã thảo luận trước đó. Vào tháng 2 năm 2023, công ty hàng đầu Quantinuum đã thông báo rằng dựa trên các chip lượng tử dòng H1 của họ, khối lượng lượng tử có thể đạt tới 32768 (2 mũ 15), lập một kỷ lục mới.
Nguyên mẫu của lộ trình điện toán lượng tử quang học luôn là vật mang quan trọng để chứng tỏ tính ưu việt của điện toán lượng tử. Vào tháng 6 năm 2022, dựa trên nguyên mẫu lượng tử quang học có thể lập trình của mình, Xanadu đã hoàn thành thí nghiệm lấy mẫu Gaussian Bose, một lần nữa chứng minh tính ưu việt của điện toán lượng tử. Con đường nguyên tử trung lập là con ngựa ô trong bối cảnh phát triển công nghệ vào năm 2022. Vào tháng 9 năm 2022, France Pasqal đã công bố ra mắt bộ xử lý lượng tử với 324 nguyên tử (qubit). Nhưng khả năng sử dụng của nó ở cấp độ kỹ thuật vẫn chưa được xác minh. Lộ trình điện toán lượng tử bán dẫn cũng đang gặp khó khăn vào năm 2022 và đạt được nhiều tiến bộ. Intel đã làm mới số lượng qubit spin silicon lên 12 vào tháng 10 năm 2022. Đồng thời, tỷ lệ năng suất sản xuất chip cao tới 95%, đây là một bước quan trọng hướng tới thương mại hóa.
Bây giờ các nguyên mẫu điện toán lượng tử đã đạt được rất nhiều tiến bộ, liệu máy tính lượng tử hiện có một số ứng dụng thực tế không? Trên thực tế, vẫn còn một chặng đường dài trước khi ứng dụng thương mại thực sự của máy tính lượng tử. Nhìn chung, nguyên mẫu điện toán lượng tử hiện tại đang ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển điện toán lượng tử và vẫn đang ở trong kỷ nguyên được gọi là NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) trong lĩnh vực điện toán lượng tử. Để đạt được các thuật toán và ứng dụng lượng tử mang tính biểu tượng như thuật toán của Shor, một số lượng lớn các nhà nghiên cứu khoa học vẫn cần phải làm việc chăm chỉ để đạt được khả năng sửa lỗi lượng tử và thao tác nhất quán của hàng triệu qubit. Quá trình này thường được dự đoán sẽ mất ít nhất 10-15 năm đổi mới nghiên cứu khoa học và tích lũy công nghệ kỹ thuật.
Vậy máy tính lượng tử trong thời đại NISQ là vô dụng? nó không đúng. Thông qua giảm thiểu lỗi lượng tử, lai cổ điển-lượng tử và các giải pháp khác, các nhà khoa học cũng rất tích cực khám phá tiềm năng ứng dụng của các nguyên mẫu điện toán lượng tử ở giai đoạn hiện tại để khám phá và giải quyết các vấn đề trong các lĩnh vực bao gồm tài chính, kỹ thuật hóa học, sinh học, y học, hàng không và trí tuệ nhân tạo.
Các tình huống ứng dụng điển hình trong lĩnh vực tài chính bao gồm tối ưu hóa danh mục đầu tư, giao dịch tần suất cao (định lượng) và phát hiện gian lận. Các kịch bản ứng dụng điển hình trong ngành hóa chất bao gồm công nghiệp hóa chất và thiết kế chất xúc tác. Trong lĩnh vực hàng không, mục tiêu là sử dụng các thuật toán lượng tử để giúp giao thông hàng không đô thị phát triển thêm các tuyến bay, cải thiện việc thay đổi lịch trình của các tuyến giao thông đường sắt, v.v. Trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo, mục tiêu là sử dụng các thuật toán lượng tử để tăng tốc thời gian học tập của robot, sử dụng các kỹ thuật học máy mới nhất.
Chúng ta hãy xem ba ví dụ từ khoa học vật liệu, khám phá thuốc và gấp nếp protein.
Điện toán lượng tử có thể mô phỏng hiệu quả quá trình tiến hóa lượng tử và có các ứng dụng quan trọng trong khoa học vật liệu. Ví dụ, trong mô phỏng hóa học vật liệu, một khi số spin lớn hơn khoảng 100, một số mô hình từ tính hoàn toàn không thể mô phỏng trên máy tính cổ điển. Tuy nhiên, người ta ước tính rằng một hệ thống như vậy có thể được mô phỏng trong khoảng một giờ bằng máy tính lượng tử với 500.000 qubit. Đối với các hệ thống phức tạp hơn, có thể cần nhiều tài nguyên qubit hơn. Tuy nhiên, so với các phương pháp tính toán truyền thống, sự ra đời của máy tính lượng tử đã mở rộng đáng kể ranh giới của các vấn đề khoa học có thể khám phá và nó được kỳ vọng sẽ được áp dụng để phát triển các vật liệu mới trong tương lai.
Các ứng dụng khám phá thuốc cũng là một lĩnh vực hoạt động. Về nguyên tắc, máy tính lượng tử có thể mô phỏng chính xác các đặc tính của các phân tử thuốc nhỏ mà các phương pháp điện toán cổ điển không thể mô phỏng được. Về điểm này, có thể nói máy tính lượng tử đang có lợi thế hơn. Tuy nhiên, liệu lợi thế này có đủ lớn để hữu ích cho các công ty phát triển thuốc trong thực tế hay không vẫn đang được nghiên cứu tích cực.
Ví dụ: nếu một phân tử hoàn toàn không thể được mô hình hóa bằng máy tính cổ điển, nhưng có thể được mô hình hóa trong vài tháng bằng cách sử dụng hàng triệu qubit, liệu có lợi thế thực tế nào không? Nếu thuốc có thể chữa khỏi một căn bệnh hiểm nghèo, thì nó thực sự là một lợi thế theo một nghĩa nào đó. Phần cứng và thuật toán lượng tử cũng có khả năng cải thiện đến mức thời gian tiêu tốn cho quá trình tính toán và các yêu cầu về qubit được giảm đáng kể.
Điện toán lượng tử cũng đang được nghiên cứu để mô hình hóa cách các phân tử lớn hơn như protein gấp lại, một vấn đề nổi tiếng là khó giải quyết trên máy tính cổ điển, ngay cả với những đột phá trong học máy như AlphFold. Một lần nữa, đây được biết đến là lĩnh vực mà máy tính lượng tử có lợi thế về mặt lý thuyết, mặc dù câu hỏi về lợi thế thực tế cũng tương tự như câu hỏi về các phân tử nhỏ.
Các công ty công nghệ và thông tin hàng đầu như IBM, Google, Microsoft, Intel, Honeywell, Nvidia, Amazon, Hitachi, NEC, Alibaba, Huawei, Baidu, Tencent...
Các tổ chức nghiên cứu khoa học quốc gia, chẳng hạn như Phòng thí nghiệm Quốc gia Fermi và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne ở Hoa Kỳ, và Viện Thông tin Lượng tử và Đổi mới Công nghệ Lượng tử của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc ở Trung Quốc...
Các công ty khởi nghiệp hầu hết được thành lập sau năm 2015 và tiêu biểu hơn cả là D-Wave, Rigetti, Xanadu, IonQ, Quantinuun, Original Quantum, National Shield Quantum...
Các tổ chức nghiên cứu khoa học, chẳng hạn như MIT, Đại học Harvard, Hiệp hội Max Planck, Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, Đại học Tokyo, Đại học Cambridge...
Vẫn còn một chặng đường dài trước khi máy tính lượng tử có thể được sử dụng trong thực tế.
Từ góc độ hệ thống, về phần cứng, cần tăng số lượng và chất lượng qubit, nâng cao trình độ công nghệ sửa lỗi lượng tử và công nghệ điều khiển, quan sát, hoàn thiện tiêu chuẩn hóa quy trình sản xuất máy tính lượng tử, tối ưu hóa chi phí vận hành, và tối ưu hóa hiệu quả năng lượng; về phần mềm, cần phát triển các thuật toán Lượng tử có giá trị ứng dụng thực tế và phát triển các phần mềm ứng dụng lượng tử; về lý thuyết, các bằng chứng toán học chặt chẽ về tính ưu việt của tính toán, một số lượng lớn các thí nghiệm và chứng minh khoa học về tính kinh tế giá trị... phải được hoàn thành.
Từ góc độ liên thế hệ, máy tính lượng tử sẽ trải qua kỷ nguyên NISQ của "máy tính lượng tử quy mô trung bình ồn ào" và cuối cùng đạt đến kỷ nguyên FTQC "máy tính lượng tử chịu lỗi" với đủ số lượng và chất lượng lượng tử.
Nguồn: Chính sách và Công nghệ Thông tin và Truyền thông Số 7/2020, Tình trạng phát triển của ngành Công nghệ Điện toán Lượng tử và Phân tích Ứng dụng
Từ góc độ tổng thể của nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử, dường như không có lối tắt nào để tăng tốc ứng dụng thực tế của máy tính lượng tử, ngoại trừ nghiên cứu và phát triển, thực hành và phản ánh quyết tâm hơn, và tiến lên phía trước. Cổ nhân có câu: “Không tích sông nhỏ không làm nên sông lớn, không tích bước đi ngàn dặm” không thể vội vàng.
Đặc biệt đối với các công nghệ khám phá tiên tiến như điện toán lượng tử, nó đòi hỏi nghiên cứu và thử nghiệm hợp tác lâu dài và liên tục giữa giới khoa học và công nghiệp, thậm chí thử và sai lặp đi lặp lại. Sự trưởng thành và phổ biến của công nghệ máy tính cổ điển cũng đã trải qua 40 năm, việc nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử mới chỉ bắt đầu 20 năm, một khoảng thời gian không quá dài.
Lấy IBM làm ví dụ, IBM đã phát triển máy tính lượng tử được 12 năm và là một trong những công ty tiên phong sớm nhất trong việc nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử. Năm 2011, IBM bắt đầu tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về máy tính lượng tử; năm 2016, lần đầu tiên IBM đưa bộ xử lý lượng tử lên đám mây để cung cấp dịch vụ thử nghiệm; năm 2020, sau 10 năm đầu tư vào nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử, IBM đã công bố Lộ trình R&D cho năm 2023 đang tiến về phía trước vững chắc hơn, năm 2022, IBM đã cập nhật lộ trình đến năm 2025 và điều chỉnh lộ trình kỹ thuật sau năm 2022.
Có thể thấy rằng IBM có khả năng hiện thực hóa bản cập nhật kỹ thuật sau rất nhiều thử nghiệm, thử và sai, thậm chí là cân nhắc về mặt thương mại, điều đáng mừng là kể từ năm 2020, IBM đã kiên quyết thực hiện lộ trình và lộ trình mà hãng đã công bố. Chương trình tiếp tục có những đóng góp quan trọng cho sự phát triển của công nghệ máy tính lượng tử. Vào tháng 12 năm 2022, IBM đã giao chip lượng tử siêu dẫn Osprey có thể chuẩn bị 433 qubit theo lịch trình, đồng thời quá trình nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử siêu dẫn đã có một bước tiến vững chắc.
Một ví dụ khác là Google, cũng bắt đầu đầu tư vào nghiên cứu máy tính lượng tử từ trước năm 2015. Trong 8 năm qua, ngành công nghiệp và thậm chí toàn xã hội không ngừng nâng cao hiểu biết về máy tính lượng tử, thậm chí có lúc còn thổi phồng quá mức, thậm chí nhiều người còn cho rằng máy tính lượng tử sẽ được bán trên thị trường trong vòng vài năm nữa. Mãi cho đến năm nay, vào tháng 2 năm 2023, Google mới công bố tiến bộ của mình trong lĩnh vực sửa lỗi lượng tử trên tạp chí Nature. Các thí nghiệm khoa học nghiêm ngặt sơ bộ đã chứng minh rằng sửa lỗi lượng tử thực sự có thể cải thiện độ chính xác của điện toán lượng tử. Đó chỉ là bước thứ hai trong hành trình của Google hướng tới một máy tính lượng tử có thể sử dụng được. Vẫn còn một khoảng cách đáng kể so với máy tính lượng tử thương mại thực sự được Google lên kế hoạch vào năm 2029.
Từ quan điểm của kỷ nguyên NISQ hiện tại của máy tính lượng tử, trong điều kiện phần cứng máy tính lượng tử hiện có, việc tìm ra nhiều thuật toán hơn với cả ưu thế tính toán và giá trị kinh tế thực tế, cũng như phần mềm ứng dụng lượng tử cho các tình huống ứng dụng thực tế, được coi là một vấn đề quan trọng. ý tưởng để tăng tốc ứng dụng thực tế của điện toán lượng tử.
Lấy các thuật toán lượng tử làm ví dụ, để đạt được điều này, một mặt, giới học thuật và ngành công nghiệp cần phải hợp tác với nhau để thực hành cách khám phá và triển khai hợp lý các thuật toán lượng tử trong các tình huống thực tế như vật liệu, dược phẩm, tài chính và vật lý, và cuối cùng đạt được sức mạnh cấp độ A ngoài tính toán cổ điển trong một số tình huống. Mặt khác, ở giai đoạn này, việc triển khai nhiều hơn các nền tảng phần cứng và phần mềm máy tính lượng tử mở cho công chúng có thể đẩy nhanh quá trình phát triển, triển khai và thử nghiệm các thuật toán lượng tử trong ngành, đồng thời nhanh chóng sàng lọc các ứng dụng có giá trị tiềm năng. Và quá trình này cũng sẽ phản hồi lại sự phát triển của các ứng dụng phần mềm và phần cứng lượng tử.
Điện toán lượng tử là một công nghệ cốt lõi tạo ra kỷ nguyên và nó được kỳ vọng sẽ trở thành một ngành khoa học và công nghệ tiên tiến quan trọng để xây dựng sức mạnh tính toán trong tương lai và định hình lại thế giới tương lai. Với sự đầu tư liên tục vào nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử trong và ngoài nước, chúng ta sẽ vượt qua kỷ nguyên NISQ và bước vào kỷ nguyên FTQC, đồng thời mở ra sự xuất hiện của các thuật toán và ứng dụng lượng tử với cả ưu thế tính toán và giá trị kinh tế thực tế. Chúng ta đang mong chờ tương lai.
Hiện tại, chúng ta vẫn cần phải lạc quan một cách hợp lý, hiểu một cách khách quan về máy tính lượng tử, hiểu đầy đủ hành trình của nó từ nghiên cứu và phát triển công nghệ đến ứng dụng thực tế. Quan trọng hơn, sự phát triển của lĩnh vực điện toán lượng tử cần có sự hợp tác tích cực hơn nữa giữa các doanh nghiệp, trường đại học, cơ quan nghiên cứu về lĩnh vực điện toán lượng tử trong và ngoài nước, để làm tốt công tác R&D một cách thực chất và từng bước giải quyết các thách thức khoa học và kỹ thuật khác nhau.
Ngoài ChatGPT, một chủ đề nóng khác gần đây đã thu hút sự chú ý là máy tính lượng tử. Trong khi đóng vai máy tính tương lai mạnh mẽ và thông minh MOSS trong bộ phim khoa học viễn tưởng "The Wandering Earth 2", nó cũng xuất hiện trên số 2 của tạp chí nổi tiếng Time với tiêu đề The Quantum Leap. Nhưng đối với công chúng, những cách hiểu và diễn giải thấy trên mạng dường như chỉ mang lại cảm giác mơ hồ khó hiểu, hàng loạt khái niệm hiểu nửa vời chỉ có thể quy về những cụm từ hiểu nửa vời trong cuộc đối thoại.
1. Chính xác thì "lượng tử" và "điện toán lượng tử" là gì?
2. Tại sao máy tính lượng tử lại quan trọng với chúng ta?
3. Sự khác biệt giữa máy tính lượng tử và máy tính thông thường của chúng ta là gì?
4. "Lượng tử lượng" càng lớn thì máy tính lượng tử càng mạnh?
5. Máy tính lượng tử có thực sự "toàn năng"?
6. Làm thế nào để tạo ra một chiếc “máy tính tương lai” “vạn năng”?
7. Điện toán lượng tử hiện nay có ứng dụng thực tế không?
8. Điện toán lượng tử có phù hợp hơn cho mô phỏng không?
9. Những công ty và tổ chức nào trong và ngoài nước hiện đang làm điện toán lượng tử?
10. Công việc nào còn phải làm trước khi điện toán lượng tử được đưa vào sử dụng thực tế? Làm thế nào chúng ta có thể tăng tốc độ thực hiện ứng dụng thực tế?
Lượng tử và Điện toán lượng tử, chính xác thì nó là gì?
Điện toán lượng tử là một loại chế độ điện toán mới dựa trên nguyên tắc cơ học lượng tử, bằng cách kiểm soát một số đơn vị lượng tử nhất định để thực hiện các phép tính. Máy tính lượng tử là một hệ thống máy tính được sử dụng để nhận biết và sử dụng các khả năng tính toán lượng tử.Lượng tử (tiếng Anh: Quantum) là một khái niệm quan trọng trong vật lý hiện đại, được coi là đơn vị đại lượng vật lý nhỏ nhất và không thể chia cắt cấu tạo nên vũ trụ bao la và vạn vật trên thế giới. Ví dụ, ánh sáng mặt trời bao gồm các photon và năng lượng do các photon mang theo hiện tại không thể phân chia thêm nữa, vì vậy các photon có thể được gọi là lượng tử. Ngoài ra, electron, neutrino và quark cũng có thể được gọi là lượng tử. Đối với các hạt vi mô như nguyên tử, ion, proton và neutron, năng lượng mà chúng mang thay đổi theo các điều kiện khác nhau, vì vậy không thể đánh giá một cách đơn giản liệu chúng có thể được gọi là lượng tử hay không.
Các đặc tính vật lý của lượng tử hoàn toàn khác với các vật thể trong tự nhiên (như quả bóng đá, chai nước giải khát), và thậm chí nằm ngoài khả năng cảm nhận và trí tưởng tượng thông thường của người bình thường: chẳng hạn, lượng tử có thể bay trong không khí giống như một quả bóng được đá, hoặc nó có thể giống như sóng nước Ví dụ, nếu đặt một chai nước uống trên mặt bàn nằm ngang, thì chai nước chỉ có thể duy trì một trong ba trạng thái "thẳng đứng", "lộn ngược" và "nằm xuống", trong khi cùng một Lượng tử đặt trên máy tính để bàn có thể duy trì ba trạng thái "thẳng đứng", "nghịch" và "nằm" cùng một lúc.
Hơn 100 năm trước, các nhà vật lý nổi tiếng như Planck và Einstein đã phát hiện ra các tính chất vật lý độc đáo của các hạt vi mô này và cuối cùng đã tóm tắt các tính chất này thành "cơ học lượng tử", một trong hai nền tảng của vật lý hiện đại. Chúng ta có thể gọi chung công nghệ thông tin dựa trên nguyên lý cơ học lượng tử là công nghệ thông tin lượng tử, chủ yếu bao gồm điện toán lượng tử, truyền thông lượng tử và đo lường lượng tử.
Tại sao máy tính lượng tử quan trọng với chúng ta?
Dưới góc độ khoa học công nghệ, làm chủ công nghệ tính toán lượng tử sẽ nắm bắt được cơ hội phát triển trong tương lai. Vào năm 2023, chúng ta đã ở trong thế giới kỹ thuật số. Hoạt động của thành phố, sản xuất công nghiệp và cuộc sống của con người không ngừng tạo ra, xử lý và trao đổi thông tin. Sức mạnh điện toán tồn tại rộng rãi trong các thiết bị thông minh, mạng, máy chủ và nền tảng đám mây là khả năng cơ bản và quan trọng nhất để hỗ trợ tất cả những điều này.
Từ góc độ xã hội, máy tính lượng tử là đại diện cho năng suất kỹ thuật số tiên tiến. Một số nguyên mẫu máy tính lượng tử được ngành công bố, chẳng hạn như Platanus của Google, Hệ thống Q của IBM và Cửu chương của Viện Khoa học Trung Quốc, đã dần chứng minh một số lợi thế về sức mạnh tính toán trong các thí nghiệm nghiên cứu khoa học: khi hoàn thành tính toán cụ thể các tác vụ, chúng có thể thể hiện nhiều hơn siêu Hiệu quả tính toán của máy tính cao gấp hàng nghìn lần. Vật liệu, y học, tài chính, hậu cần, sản xuất và nhiều ngành công nghiệp khác đã bắt đầu được chú ý, khám phá và thử nghiệm. Ảnh hưởng của máy tính lượng tử trong lĩnh vực bảo mật thông tin và tính toán hiệu suất cao về cơ bản đã trở thành sự đồng thuận của ngành, thu hút sự chú ý lớn từ tất cả các quốc gia. Hiện tại, hơn mười quốc gia đã công bố các chiến lược liên quan đến điện toán lượng tử, và việc nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử đã trở thành một điểm nóng quốc tế trong một thời gian.
Đối với những người bình thường chúng ta, máy tính lượng tử vẫn còn hơi xa vời, nhưng chúng rất đáng để mong đợi. Mặc dù ứng dụng trưởng thành của máy tính lượng tử dự kiến sẽ mất nhiều thập kỷ hoặc thậm chí lâu hơn, nhưng ứng dụng dần dần của nó trong một số tình huống được chia nhỏ sẽ mang lại cho chúng ta một số bất ngờ trong tương lai gần. Ví dụ, hỗ trợ phát triển các loại thuốc đặc trị cho các bệnh nan y, thúc đẩy phát triển các loại vải mới nhẹ hơn và thoải mái hơn... Tất nhiên, việc máy tính lượng tử xâm nhập vào hàng nghìn hộ gia đình như một món hàng có thể còn xa vời hơn, nhưng không ai có thể dự đoán được tốc độ phát triển và phổ biến của công nghệ.
Máy tính lượng tử và máy tính, sự khác biệt là gì?
Phần tử tính toán nhỏ nhất của máy tính lượng tử tiên tiến và mạnh mẽ hơn nhiều so với phần tử tính toán thông thường (điện thoại thông minh, máy tính xách tay, máy tính công nghiệp, máy chủ...). Đây là sự khác biệt cơ bản nhất giữa hai thứ này và 7 sự khác biệt khác bắt nguồn từ nó.
Câu trả lời cho câu hỏi này hơi khó hiểu, nhưng chúng tôi cố gắng giải thích nó theo cách phổ biến. Nếu bạn có thể kiên nhẫn đọc đoạn tường thuật sau đây và cố gắng hiểu nó, thì bạn đã bước đầu nắm vững kiến thức để hiểu và thậm chí dự đoán xu hướng tương lai của nền văn minh kỹ thuật số.
Trước hết, nếu bạn muốn hiểu sự khác biệt giữa hai loại này, trước tiên bạn phải hiểu một số kiến thức cơ bản:
Toán học là môn khoa học lâu đời nhất của loài người và là một trong những môn khoa học cơ bản nhất của loài người, giúp con người hiểu thế giới dưới góc độ những con số và tồn tại trong thế giới.
Các công cụ tính toán là những công cụ do con người phát minh ra để sử dụng toán học tốt hơn. Chẳng hạn như bàn tính, máy tính điện tử, máy tính. Thông thường, đầu tiên người ta phân tách và trừu tượng hóa bài toán cần giải thành một số điều kiện đầu vào và mô hình toán học, sau đó sử dụng các công cụ tính toán để thực hiện các phép tính, cuối cùng thu được các tham chiếu để giải bài toán từ kết quả tính toán.
Bàn tính: Phần tử tính toán nhỏ nhất của bàn tính là một hạt ở hàng dưới của bàn tính, biểu thị giá trị tính toán là 1, quay số lên có nghĩa là +1 và quay số xuống có nghĩa là -1;
Máy tính lượng tử: Đơn vị tính toán nhỏ nhất của máy tính lượng tử là thành phần cốt lõi của máy tính lượng tử - một lượng tử trên bộ xử lý lượng tử (QPU). Giá trị có thể được biểu diễn có thể là 0 hoặc 1 hoặc một chuỗi các tổ hợp xác suất của 0 và 1 ( Ví dụ: 80% của 0+20% của 1, hoặc 40% của 0+60% của 1… Cái này khó hiểu hơn, bạn không cần hiểu, chỉ cần biết thôi) . Khi người ta gửi các xung điện cụ thể đến lượng tử thông qua thiết bị đầu vào của máy tính lượng tử, thì lượng tử có thể biểu thị các giá trị khác nhau. Trong nguyên lý tính toán lượng tử, một lượng tử đại diện cho một đơn vị đo lường nhỏ nhất, được gọi là bit lượng tử (tiếng Anh: Qubit).
Cho đến nay chúng ta có thể thấy rằng một lượng tử có thể biểu thị nhiều giá trị tính toán hơn so với một bóng bán dẫn. Điều này cũng giống như Tôn Ngộ Không, người có năng lực hơn người thường, hơn nữa do đặc tính “trạng thái chồng chất” của lượng tử nên một lượng tử có thể duy trì nhiều trạng thái cùng lúc, nghĩa là nó có thể biểu diễn nhiều giá trị tính toán cùng một lúc. Giống như Tôn Ngộ Không không chỉ mạnh mẽ mà còn có nhiều phân thân cùng lúc, mỗi phân thân đều mạnh ngang với hắn.
Sau khi hiểu được sự khác biệt cơ bản, hãy bắt đầu tiết lộ phần còn lại của câu trả lời cho sự khác biệt giữa máy tính lượng tử và máy tính thông thường của chúng ta:
1. Công nghệ sản xuất linh kiện máy tính nhỏ nhất có khác (công nghệ chip lượng tử): chip của máy tính lượng tử hiện được điều chế bằng nhiều con đường kỹ thuật khác nhau như siêu dẫn, quang lượng tử, bẫy ion, trong khi chip của máy tính cổ điển chủ yếu sử dụng kỹ thuật in thạch bản máy móc;
2. Số lượng yếu tố điện toán tối thiểu chứa trong một con chip là khác nhau: GPU Nvidia H100 mới nhất chứa khoảng 50 tỷ bóng bán dẫn, trong khi chip lượng tử Osprey mới nhất của IBM chỉ chứa 433 lượng tử;
3. Sự khác biệt về khả năng tính toán: Một máy tính lượng tử chỉ có khoảng 50 lượng tử đã có thể nhanh hơn hàng nghìn, thậm chí hàng chục nghìn lần so với máy tính cổ điển có khả năng tính toán mạnh nhất khi hoàn thành các tác vụ tính toán cụ thể;
4. Hệ thống phần cứng khác nhau: Do công nghệ chip khác nhau và đang trong giai đoạn đầu nghiên cứu và phát triển nên so với máy tính cổ điển, máy tính lượng tử hiện tại cần có hệ thống và thiết bị hỗ trợ chuyên dụng. Ví dụ: tủ lạnh, hệ thống điều khiển kỹ thuật số-tương tự, v.v. Điều này cũng làm cho máy tính lượng tử hiện tại có vẻ ngoài cồng kềnh, hơi giống máy tính điện tử mới ra đời cách đây 60 năm;
5. Các hệ thống phần mềm khác nhau: Một mặt, các thuật toán và ứng dụng của điện toán lượng tử cần phải thích ứng với nguyên tắc của điện toán lượng tử, vốn rất khác so với máy tính cổ điển. Tuy nhiên, nhiều nhóm R&D đã tung ra các công cụ phát triển phần mềm điện toán lượng tử (chẳng hạn như Qiskit của IBM, Cirq của Google...) để giúp việc phát triển trở nên thuận tiện hơn; Máy tính cần một trình soạn thảo đặc biệt để biên dịch phần mềm;
6. Các lĩnh vực ứng dụng khác nhau: Ngành công nghiệp nói chung tin rằng so với máy tính cổ điển, máy tính lượng tử hiện tại sẽ được sử dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực sau: nghiên cứu và phát triển vật liệu và thuốc, tối ưu hóa danh mục đầu tư tài chính, lập kế hoạch hậu cần, đào tạo máy học, thời tiết dự báo... trong khi máy tính cổ điển đã được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực, thúc đẩy quá trình số hóa toàn xã hội.
7. Sự trưởng thành kỹ thuật khác nhau: kể từ khi chiếc máy tính điện tử đầu tiên ra đời vào năm 1946, sau hơn 60 năm, công nghệ, kỹ thuật và dây chuyền công nghiệp của máy tính cổ điển đã trưởng thành, mặt khác, hàng chục tỷ bóng bán dẫn được tích hợp trên bề mặt ;và nghiên cứu kỹ thuật và phát triển máy tính lượng tử chỉ bắt đầu vào khoảng năm 2012, và nó chỉ mới được 10 năm, các máy tính lượng tử được công bố cho đến nay giống như nguyên mẫu và máy xác minh công nghệ. Các công nghệ khác nhau, Chuỗi công nghệ và công nghiệp vẫn chưa ổn định, chứ đừng nói là hoàn hảo.
"Khối lượng tử" càng lớn, máy tính lượng tử có mạnh hơn không?
Trước tiên hãy trả lời trực tiếp câu hỏi: Khối lượng lượng tử thực sự là một chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu suất toàn diện của máy tính lượng tử.Tại sao lại có khái niệm "lượng tử lượng"? Đây là một chỉ số độc lập với phần cứng được giới thiệu bởi ngành công nghiệp để mô tả chính xác hơn hiệu suất của máy tính lượng tử với các lộ trình kỹ thuật khác nhau. Khối lượng tử thể hiện kích thước lớn nhất của một mạch lượng tử vuông mà một máy tính lượng tử có thể thực hiện thành công. Theo thuật ngữ thông thường, chỉ số hiệu suất này có liên quan đến các chỉ số vật lý như số lượng qubit, độ sâu tối đa của mạch lượng tử, độ trung thực, khả năng kết nối và nhiễu xuyên âm. Nói chung, khối lượng tử của máy tính lượng tử càng lớn thì nó càng có thể giải quyết các vấn đề phức tạp hơn.
The Wandering Earth 2 được phát hành vào đầu năm đã khiến máy tính lượng tử trở nên phổ biến trở lại và khái niệm về lượng tử cũng xuất hiện trong phim. Nhưng điều đáng nói là mặc dù MOSS rất khoa học viễn tưởng, nhưng khối lượng lượng tử danh nghĩa 8192 của nó rõ ràng là quá nhỏ. Vào tháng 10 năm 2022, công ty điện toán lượng tử Quantinuum đã đạt được mục tiêu 8192 trong máy tính lượng tử bẫy ion 20 bit, nhưng nguyên mẫu điện toán lượng tử vẫn còn lâu mới có thể thực hiện được.
Là một chỉ số đo lường hiệu suất, khối lượng lượng tử đã cho thấy một mức độ khoa học và tính linh hoạt nhất định ở giai đoạn này. Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chip lượng tử, các chỉ số đánh giá phù hợp hơn có thể xuất hiện trong tương lai. Ví dụ, IonQ đã giới thiệu chỉ số "qubit thuật toán" để thay thế khối lượng tử. Trong quá trình hiện thực hóa dần máy tính lượng tử, có thể thấy trước rằng sẽ có nhiều chỉ số đánh giá phù hợp hơn với sự phát triển của công nghệ.
Máy tính lượng tử có thực sự “toàn năng”?
Từ "toàn năng" có phần khoa học viễn tưởng, và nó phù hợp hơn để mô tả tính linh hoạt và phổ biến của máy tính thông minh trong The Wandering Earth 2 trong tương lai: nó có thể được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau trong công việc và cuộc sống, cho đến khi hoàn thành các tính toán khoa học phức tạp, cảnh báo sớm về cuộc khủng hoảng sao Mộc, bản đồ cuộc sống kỹ thuật số trung bình đến tương tự Yaya, đủ gần để trò chuyện và giúp chúng ta bật đèn trong phòng...Nhưng máy tính lượng tử không phải là toàn năng. Mặc dù từ quan điểm thực tế, rõ ràng là máy tính sẽ ngày càng trở nên mạnh mẽ hơn trong tương lai và các dịch vụ máy tính trong tương lai có sẵn mọi lúc, mọi nơi và mọi nơi có thể được mong đợi, nhưng máy tính vẫn chưa phải là "toàn năng". Và điều này được xác định bởi cơ sở lý thuyết của máy tính-toán học. Có một nhánh toán học gọi là lý thuyết tính toán và lý thuyết độ phức tạp tính toán, cho chúng ta biết rằng rất nhiều vấn đề trên thế giới không thể giải quyết bằng tính toán, bất kể sử dụng công cụ tính toán nào, máy tính lượng tử cũng không ngoại lệ.
Vì một máy tính lượng tử không phải là toàn năng, nên nó có thể làm gì, hoặc nó giỏi loại nhiệm vụ điện toán nào?
Từ quan điểm toán học, trong lý thuyết độ phức tạp tính toán, có một loại bài toán gọi là "bài toán BQP", về mặt lý thuyết có thể được giải bằng máy tính lượng tử trong thời gian đa thức. Các bài toán BQP điển hình bao gồm: bài toán phân rã số nguyên, bài toán logarit rời rạc, một số bài toán mô phỏng hệ lượng tử... Từ quan điểm này, trong lĩnh vực các vấn đề mà toán học có thể nhận ra hiện nay, các vấn đề mà máy tính lượng tử có thể giải quyết chỉ là một phần trong số đó.Nói tóm lại, máy tính lượng tử phù hợp hơn cho các bài toán tính toán đòi hỏi khối lượng tính toán lớn ngay cả với các thuật toán tốt nhất nếu máy tính cổ điển được sử dụng. Một ví dụ sinh động là bài toán “mò kim đáy bể”: thuật toán giải bài toán này rất đơn giản, đó là tìm mọi ngóc ngách của biển mà một cây kim có thể chui xuống. Tuy nhiên, khối lượng công việc của câu hỏi này rất lớn, phải tìm kiếm trên cả vùng biển rộng lớn, từ mặt biển cho đến đáy biển. Các vấn đề tương tự cũng bao gồm tra cứu một số trong danh bạ điện thoại mà không có chỉ mục, tìm ảnh hồ sơ của bạn trong số rất nhiều khuôn mặt, v.v. Mặc dù vậy, các vấn đề như BQP đã có thể được ánh xạ tới nhiều tình huống ứng dụng như tối ưu hóa danh mục đầu tư tài chính, tối ưu hóa hậu cần và vận tải. Nếu máy tính lượng tử thực sự có thể giải quyết những vấn đề này trong tương lai, đóng góp cho xã hội sẽ rất lớn.
Điều đáng nói là việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mô hình quy mô lớn trí tuệ nhân tạo như ChatGPT, hiện đang được thảo luận sôi nổi, cũng có thể liên quan đến điện toán lượng tử. Mặc dù chưa có câu trả lời chắc chắn, nhưng điện toán lượng tử được kỳ vọng sẽ đóng vai trò tích cực trong việc phát triển và cải tiến các mô hình lớn về mặt nén mô hình, tốc độ đào tạo và hiệu suất mô hình, điều đáng được quan tâm hơn nữa.
Từ quan điểm vật lý, máy tính lượng tử sử dụng các nguyên tắc cơ học đặc biệt của các hạt vi mô để thực hiện các phép tính, vì vậy những vấn đề nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tế cũng dựa trên cơ học lượng tử về mặt lý thuyết sẽ phù hợp hơn để máy tính lượng tử giải quyết. Những gì chúng ta có thể nghĩ trực tiếp, chẳng hạn như hóa học tính toán, mô phỏng phân tử, nghiên cứu và phát triển vật liệu mới, nghiên cứu và phát triển thuốc y tế... Những vấn đề này đều liên quan đến việc nghiên cứu và sử dụng các tính chất của vật chất ở cấp độ nguyên tử và phân tử, đồng thời phát triển các cấu trúc nguyên tử hoặc phân tử với các tính chất đặc biệt không tồn tại trong tự nhiên. Máy tính lượng tử có thể sẽ là lựa chọn tốt hơn trong tương lai.
Hãy nói ngắn gọn về những gì máy tính lượng tử không giỏi. Do nguyên tắc thực hiện của máy tính lượng tử, có một vấn đề lớn trong quá trình nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử hiện nay: vấn đề tiếng ồn. Nói một cách đơn giản, khi vận hành điện toán lượng tử, tính ổn định của bản thân lượng tử, ảnh hưởng lẫn nhau giữa lượng tử và bản thân thao tác đều sẽ tạo ra nhiễu không cần thiết cho bản thân tác vụ điện toán. Các nhiễu loạn này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả tính toán, thậm chí có thể gây gián đoạn và sai sót trong tính toán. Mặc dù các nhà khoa học không ngừng cải tiến các công nghệ sửa lỗi và tách rời lượng tử để tăng xác suất tính toán chính xác, nhưng chúng vẫn không thể đạt tới 100%.
Máy tính lượng tử hiện tại không thể tính toán trực tiếp kết quả và chỉ có thể thu được kết quả xác định thông qua quan sát với một xác suất nhất định. Giống như để máy tính lượng tử hiện tại tính toán "1+1", chỉ một xác suất nhất định mới có thể ra kết quả là 2, huống hồ là để máy tính lượng tử tính toán những bài toán phức tạp hơn.
Mặc dù máy tính cổ điển có thể mắc lỗi, nhưng chip cổ điển có khả năng tự động tìm lỗi và sửa chúng, do đó cuối cùng có thể thu được kết quả chính xác. Do đó, mức độ hiện tại của máy tính lượng tử không tốt trong các vấn đề tính toán số chính xác như vậy và các vấn đề quyết định logic so với máy tính cổ điển. Tuy nhiên, lĩnh vực điện toán lượng tử cũng đang phát triển công nghệ sửa lỗi phù hợp với các đặc tính lượng tử. Mã sửa lỗi lượng tử và lý thuyết chịu lỗi lượng tử có thể sử dụng nhiều qubit không hoàn hảo để tạo ra các qubit hoàn hảo hơn thông qua thiết kế toán học phức tạp và thông qua các hoạt động lượng tử chịu lỗi cụ thể để đạt được nhiều bước hơn và tính toán chính xác hơn. Cuối cùng, khi các mã sửa lỗi được sử dụng ngày càng trở nên mạnh mẽ hơn, tỷ lệ lỗi của toàn bộ quá trình tính toán có thể được kiểm soát gần bằng không. Bằng cách này, máy tính lượng tử có thể thực hiện chính xác các phép tính mà chúng ta muốn đạt được.
Làm thế nào để tạo ra một máy tính toàn năng của tương lai?
Như chúng ta đã thảo luận ở câu hỏi trước, máy tính không phải là vạn năng, nhưng với sức mạnh khoa học và công nghệ hiện tại của con người, chúng có thể tạo ra khả năng vượt trội về tri thức và trí tuệ của con người, giải quyết các vấn đề khoa học phức tạp, thậm chí hỗ trợ cả một hệ thống thế giới ảo khổng lồ chẳng hạn như Metaverse. Một "máy tính tương lai" mạnh mẽ không phải là hoàn toàn không thể. Giống như con người đã phát minh ra động cơ hơi nước đầu tiên hàng trăm năm trước, sau đó dần dần lặp lại công nghệ và hình thức tổ chức để thiết lập dây chuyền sản xuất công nghiệp và dây chuyền công nghiệp, việc sản xuất máy tính trong tương lai phải theo kịp khoa học và công nghệ điện toán không ngừng phát triển, và dần dần luyện tập, lặp đi lặp lại và phát triển thì nỗ lực chung của nhiều chủ thể mới có cơ hội hiện thực hóa."Ai giỏi việc gì họ giỏi" là một sự đồng thuận tương đối rõ ràng trong ngành về sự phát triển của máy tính trong tương lai. Nói cách khác, đó là giao các nhiệm vụ tính toán khác nhau cho các đơn vị tính toán và hệ thống tính toán giỏi về nó. Như đã đề cập trước đó, máy tính cổ điển và máy tính lượng tử có những nhiệm vụ tính toán riêng mà chúng giỏi, vì vậy nếu bạn hình dung ý tưởng sản xuất máy tính trong tương lai, một biện pháp rất quan trọng là tạo ra máy tính lượng tử và kết hợp máy tính lượng tử với máy tính cổ điển để tích hợp hệ thống. Thậm chí kết nối thành một mạng điện toán.
Hệ thống phần cứng để sản xuất máy tính lượng tử vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển ban đầu, độ khó kỹ thuật tương đối cao. Trước hết, cần chế tạo bộ phận tính toán lõi của máy tính lượng tử - bộ xử lý lượng tử (tiếng Anh là QPU, còn được gọi là chip lượng tử). QPU là một hệ thống phần cứng chuẩn bị và lưu đơn vị điện toán nhỏ nhất "qubit" cho điện toán lượng tử và chức năng của nó tương tự như chức năng của CPU. Hiện tại, có ít nhất 7 lộ trình kỹ thuật để chuẩn bị qubit, được các tổ chức nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử hàng đầu áp dụng, bao gồm lượng tử siêu dẫn, lượng tử quang học và bẫy ion, cũng như các nguyên tử lạnh trung tính, chấm lượng tử, kim cương NV trung tâm màu và cấu trúc liên kết, lượng tử, v.v. cũng đang được nghiên cứu và phát triển liên tục.
Thứ hai, với QPU, QPU cần phải chạy, tạo lượng tử và thao tác lượng tử để tính toán. Do đó, một loạt các hệ thống hỗ trợ cũng cần thiết. Các hệ thống hỗ trợ phổ biến bao gồm: hệ thống đo lường và điều khiển, thiết bị và linh kiện đông lạnh, khoang chân không cực cao, laser, máy dò photon, v.v. QPU và các hệ thống hỗ trợ tạo thành "máy chủ" của máy tính lượng tử.
Thứ ba, đầu vào và đầu ra của máy tính lượng tử hiện yêu cầu sự hỗ trợ của máy tính cổ điển, vì vậy máy tính chủ của máy tính lượng tử thường được kết nối với một số máy tính cổ điển, để người vận hành có thể nhập các tác vụ điện toán thông qua bàn phím và chuột hoặc nhập máy tính nhiệm vụ từ các hệ thống máy tính khác.
Máy tính lượng tử cũng yêu cầu phần mềm. Trước hết, cần có một loạt phần mềm cơ bản, tương tự như "trình điều khiển bo mạch chính" và "hệ điều hành" hiện tại, để quản lý và điều khiển phần cứng máy tính lượng tử, biên dịch và chạy phần mềm máy tính lượng tử; thứ hai, "ngôn ngữ và công cụ lập trình" là cần thiết để viết phần mềm lượng tử Và các thuật toán, bởi vì các nguyên tắc của máy tính lượng tử khác với máy tính thông thường, ngôn ngữ và công cụ đặc biệt cũng được yêu cầu; thứ ba, để giải quyết các vấn đề thực tế trong thực tế, máy tính lượng tử cần cài đặt phần mềm lượng tử tương ứng, chẳng hạn như phần mềm phân tích hóa học lượng tử, phần mềm mô phỏng lượng tử...; thứ tư, bên trong phần mềm lượng tử, nó thường được tải các thuật toán lượng tử có liên quan để hoàn thành công việc tính toán;
QPU, hệ thống hỗ trợ, hệ thống đầu vào và đầu ra, phần mềm cơ bản, ngôn ngữ và công cụ lập trình, ứng dụng, thuật toán, các hệ thống phần cứng và phần mềm này cần phải hoạt động đồng thời để thực sự sử dụng sức mạnh tính toán tuyệt vời của máy tính lượng tử và tạo ra giá trị cho xã hội.
Nghiên cứu khoa học và khám phá kết hợp máy tính lượng tử với QPU làm lõi điện toán và máy tính cổ điển với CPU + GPU làm lõi điện toán lần đầu tiên bắt đầu trong lĩnh vực điện toán hiệu năng cao. Điện toán hiệu năng cao là một lĩnh vực máy tính theo đuổi sức mạnh tính toán cực cao, nó đã dẫn dắt sự phát triển của toàn bộ ngành công nghiệp máy tính, nhiều công nghệ trong ngành máy tính, chẳng hạn như Hadoop, lần đầu tiên được phát triển bởi lĩnh vực điện toán hiệu năng cao. Ví dụ, trên bình diện quốc tế, nhóm điện toán lượng tử của IBM đã biến máy tính lượng tử thành cốt lõi của điện toán hiệu năng cao thế hệ tiếp theo và "Dự án chung về điện toán hiệu năng cao châu Âu (EUroHPC JU)" đã khởi động nghiên cứu thử nghiệm về tích hợp máy tính lượng tử và siêu máy tính; các công ty chip Nvidia gần đây cũng đã ra mắt QUDA, một nền tảng điện toán lai có thể tích hợp điện toán lượng tử và các cuộc gọi tài nguyên điện toán hiệu suất cao; các nhà cung cấp dịch vụ điện toán đám mây như Amazon và Microsoft cũng đã phát hiện ra xu hướng này, chuyển các khả năng của máy tính lượng tử sang đám mây và mở ra liên tiếp Cung cấp các dịch vụ nền tảng đám mây điện toán lượng tử. Kỷ nguyên điện toán hiệu năng cao 3.0 của CPU+GPU+QPU đã bắt đầu.
Người ta tin rằng với sự phát triển không ngừng của nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử, cũng như sự tích hợp và phối hợp phát triển lẫn nhau của máy tính lượng tử và máy tính cổ điển, một "máy tính tương lai" mạnh mẽ nhất định sẽ ra mắt trong tương lai gần. trong lịch sử nhân loại trong "The Wandering Earth 2", Đảm nhận những nhiệm vụ và trách nhiệm quan trọng.
Điện toán lượng tử có ứng dụng thực tế bây giờ không?
Trong những năm gần đây, dọc theo các lộ trình kỹ thuật khác nhau, việc nghiên cứu và phát triển các nguyên mẫu máy tính lượng tử đã đạt được những tiến bộ vượt bậc. Mặc dù máy tính lượng tử ở giai đoạn này vẫn còn lâu mới đi vào thực tế, nhưng trình độ kỹ thuật hiện tại đã vượt xa những dự đoán lạc quan nhất của các nhà khoa học 20 năm trước. Nhìn lại năm 2022 vừa qua, lĩnh vực nguyên mẫu điện toán lượng tử đã xuất hiện nhiều bước phát triển mới, có thể ví von như trăm hoa đua nở, trăm chim tranh tài.Trong số đó, con đường máy tính lượng tử siêu dẫn là rực rỡ nhất, luôn dẫn đầu. Hiện tại, hầu hết các công ty công nghệ trong và ngoài nước đều chọn con đường siêu dẫn để bố trí và đầu tư lâu dài, và đều đạt kết quả tốt vào năm 2022. IBM đã phát hành chip điện toán lượng tử 433 qubit theo lịch trình, hiện là mức cao nhất theo hướng siêu dẫn của thế giới và dự kiến sẽ đạt 1.000 qubit vào năm 2023. Google quan tâm nhiều hơn đến chất lượng của qubit và đã đạt được tiến bộ liên tục trong việc sửa lỗi lượng tử.
Đặc điểm của con đường bẫy ion là thời gian kết hợp của các bit cực kỳ dài, do đó có thể chuẩn bị các cổng logic lượng tử có độ trung thực cao (hơi giống với các cổng logic bao gồm các bóng bán dẫn trên chip), do đó độ trung thực của cổng rất cao. Mặc dù máy tính lượng tử bẫy ion gặp nhiều khó khăn hơn trong việc tăng số lượng bit (~20 bit), nhưng những ưu điểm độc đáo của nó có thể được phản ánh bởi thể tích lượng tử chỉ số (QV) đã thảo luận trước đó. Vào tháng 2 năm 2023, công ty hàng đầu Quantinuum đã thông báo rằng dựa trên các chip lượng tử dòng H1 của họ, khối lượng lượng tử có thể đạt tới 32768 (2 mũ 15), lập một kỷ lục mới.
Nguyên mẫu của lộ trình điện toán lượng tử quang học luôn là vật mang quan trọng để chứng tỏ tính ưu việt của điện toán lượng tử. Vào tháng 6 năm 2022, dựa trên nguyên mẫu lượng tử quang học có thể lập trình của mình, Xanadu đã hoàn thành thí nghiệm lấy mẫu Gaussian Bose, một lần nữa chứng minh tính ưu việt của điện toán lượng tử. Con đường nguyên tử trung lập là con ngựa ô trong bối cảnh phát triển công nghệ vào năm 2022. Vào tháng 9 năm 2022, France Pasqal đã công bố ra mắt bộ xử lý lượng tử với 324 nguyên tử (qubit). Nhưng khả năng sử dụng của nó ở cấp độ kỹ thuật vẫn chưa được xác minh. Lộ trình điện toán lượng tử bán dẫn cũng đang gặp khó khăn vào năm 2022 và đạt được nhiều tiến bộ. Intel đã làm mới số lượng qubit spin silicon lên 12 vào tháng 10 năm 2022. Đồng thời, tỷ lệ năng suất sản xuất chip cao tới 95%, đây là một bước quan trọng hướng tới thương mại hóa.
Bây giờ các nguyên mẫu điện toán lượng tử đã đạt được rất nhiều tiến bộ, liệu máy tính lượng tử hiện có một số ứng dụng thực tế không? Trên thực tế, vẫn còn một chặng đường dài trước khi ứng dụng thương mại thực sự của máy tính lượng tử. Nhìn chung, nguyên mẫu điện toán lượng tử hiện tại đang ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển điện toán lượng tử và vẫn đang ở trong kỷ nguyên được gọi là NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) trong lĩnh vực điện toán lượng tử. Để đạt được các thuật toán và ứng dụng lượng tử mang tính biểu tượng như thuật toán của Shor, một số lượng lớn các nhà nghiên cứu khoa học vẫn cần phải làm việc chăm chỉ để đạt được khả năng sửa lỗi lượng tử và thao tác nhất quán của hàng triệu qubit. Quá trình này thường được dự đoán sẽ mất ít nhất 10-15 năm đổi mới nghiên cứu khoa học và tích lũy công nghệ kỹ thuật.
Vậy máy tính lượng tử trong thời đại NISQ là vô dụng? nó không đúng. Thông qua giảm thiểu lỗi lượng tử, lai cổ điển-lượng tử và các giải pháp khác, các nhà khoa học cũng rất tích cực khám phá tiềm năng ứng dụng của các nguyên mẫu điện toán lượng tử ở giai đoạn hiện tại để khám phá và giải quyết các vấn đề trong các lĩnh vực bao gồm tài chính, kỹ thuật hóa học, sinh học, y học, hàng không và trí tuệ nhân tạo.
Các tình huống ứng dụng điển hình trong lĩnh vực tài chính bao gồm tối ưu hóa danh mục đầu tư, giao dịch tần suất cao (định lượng) và phát hiện gian lận. Các kịch bản ứng dụng điển hình trong ngành hóa chất bao gồm công nghiệp hóa chất và thiết kế chất xúc tác. Trong lĩnh vực hàng không, mục tiêu là sử dụng các thuật toán lượng tử để giúp giao thông hàng không đô thị phát triển thêm các tuyến bay, cải thiện việc thay đổi lịch trình của các tuyến giao thông đường sắt, v.v. Trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo, mục tiêu là sử dụng các thuật toán lượng tử để tăng tốc thời gian học tập của robot, sử dụng các kỹ thuật học máy mới nhất.
Tính toán lượng tử có phù hợp hơn cho mô phỏng không?
Điện toán lượng tử có thể mô phỏng sự phát triển của các hệ cơ học lượng tử nhanh hơn máy tính cổ điển, đây thực sự là động lực ban đầu để Feynman, người tiên phong trong khoa học thông tin lượng tử, đề xuất ý tưởng về điện toán lượng tử. Việc sử dụng máy tính lượng tử để mô phỏng các hệ thống lượng tử hiện được coi là một trong những lĩnh vực ứng dụng hứa hẹn nhất của điện toán lượng tử và có thể là một trong những ứng dụng đầu tiên có liên quan đến công nghiệp.Chúng ta hãy xem ba ví dụ từ khoa học vật liệu, khám phá thuốc và gấp nếp protein.
Điện toán lượng tử có thể mô phỏng hiệu quả quá trình tiến hóa lượng tử và có các ứng dụng quan trọng trong khoa học vật liệu. Ví dụ, trong mô phỏng hóa học vật liệu, một khi số spin lớn hơn khoảng 100, một số mô hình từ tính hoàn toàn không thể mô phỏng trên máy tính cổ điển. Tuy nhiên, người ta ước tính rằng một hệ thống như vậy có thể được mô phỏng trong khoảng một giờ bằng máy tính lượng tử với 500.000 qubit. Đối với các hệ thống phức tạp hơn, có thể cần nhiều tài nguyên qubit hơn. Tuy nhiên, so với các phương pháp tính toán truyền thống, sự ra đời của máy tính lượng tử đã mở rộng đáng kể ranh giới của các vấn đề khoa học có thể khám phá và nó được kỳ vọng sẽ được áp dụng để phát triển các vật liệu mới trong tương lai.
Các ứng dụng khám phá thuốc cũng là một lĩnh vực hoạt động. Về nguyên tắc, máy tính lượng tử có thể mô phỏng chính xác các đặc tính của các phân tử thuốc nhỏ mà các phương pháp điện toán cổ điển không thể mô phỏng được. Về điểm này, có thể nói máy tính lượng tử đang có lợi thế hơn. Tuy nhiên, liệu lợi thế này có đủ lớn để hữu ích cho các công ty phát triển thuốc trong thực tế hay không vẫn đang được nghiên cứu tích cực.
Ví dụ: nếu một phân tử hoàn toàn không thể được mô hình hóa bằng máy tính cổ điển, nhưng có thể được mô hình hóa trong vài tháng bằng cách sử dụng hàng triệu qubit, liệu có lợi thế thực tế nào không? Nếu thuốc có thể chữa khỏi một căn bệnh hiểm nghèo, thì nó thực sự là một lợi thế theo một nghĩa nào đó. Phần cứng và thuật toán lượng tử cũng có khả năng cải thiện đến mức thời gian tiêu tốn cho quá trình tính toán và các yêu cầu về qubit được giảm đáng kể.
Điện toán lượng tử cũng đang được nghiên cứu để mô hình hóa cách các phân tử lớn hơn như protein gấp lại, một vấn đề nổi tiếng là khó giải quyết trên máy tính cổ điển, ngay cả với những đột phá trong học máy như AlphFold. Một lần nữa, đây được biết đến là lĩnh vực mà máy tính lượng tử có lợi thế về mặt lý thuyết, mặc dù câu hỏi về lợi thế thực tế cũng tương tự như câu hỏi về các phân tử nhỏ.
Có phải các công ty và tổ chức đang làm điện toán lượng tử?
Theo thống kê của Quan sát khoa học và công nghệ lượng tử của McKinsey, tổng số doanh nghiệp và tổ chức tham gia vào điện toán lượng tử trong và ngoài nước đã vượt quá 450, tương ứng trong chip lượng tử, hệ thống máy tính lượng tử, thuật toán lượng tử, công cụ phát triển phần mềm lượng tử, phần mềm ứng dụng lượng tử và nền tảng đám mây lượng tử. Đầu tư vào nghiên cứu và phát triển. Các doanh nghiệp và tổ chức tham gia vào điện toán lượng tử có thể được chia thành bốn loại: doanh nghiệp công nghệ và thông tin chính, tổ chức nghiên cứu khoa học quốc gia, công ty mới thành lập và tổ chức nghiên cứu khoa học.Các công ty công nghệ và thông tin hàng đầu như IBM, Google, Microsoft, Intel, Honeywell, Nvidia, Amazon, Hitachi, NEC, Alibaba, Huawei, Baidu, Tencent...
Các tổ chức nghiên cứu khoa học quốc gia, chẳng hạn như Phòng thí nghiệm Quốc gia Fermi và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne ở Hoa Kỳ, và Viện Thông tin Lượng tử và Đổi mới Công nghệ Lượng tử của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc ở Trung Quốc...
Các công ty khởi nghiệp hầu hết được thành lập sau năm 2015 và tiêu biểu hơn cả là D-Wave, Rigetti, Xanadu, IonQ, Quantinuun, Original Quantum, National Shield Quantum...
Các tổ chức nghiên cứu khoa học, chẳng hạn như MIT, Đại học Harvard, Hiệp hội Max Planck, Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, Đại học Tokyo, Đại học Cambridge...
Vẫn còn một chặng đường dài trước khi máy tính lượng tử có thể được sử dụng trong thực tế.
Từ góc độ hệ thống, về phần cứng, cần tăng số lượng và chất lượng qubit, nâng cao trình độ công nghệ sửa lỗi lượng tử và công nghệ điều khiển, quan sát, hoàn thiện tiêu chuẩn hóa quy trình sản xuất máy tính lượng tử, tối ưu hóa chi phí vận hành, và tối ưu hóa hiệu quả năng lượng; về phần mềm, cần phát triển các thuật toán Lượng tử có giá trị ứng dụng thực tế và phát triển các phần mềm ứng dụng lượng tử; về lý thuyết, các bằng chứng toán học chặt chẽ về tính ưu việt của tính toán, một số lượng lớn các thí nghiệm và chứng minh khoa học về tính kinh tế giá trị... phải được hoàn thành.
Từ góc độ liên thế hệ, máy tính lượng tử sẽ trải qua kỷ nguyên NISQ của "máy tính lượng tử quy mô trung bình ồn ào" và cuối cùng đạt đến kỷ nguyên FTQC "máy tính lượng tử chịu lỗi" với đủ số lượng và chất lượng lượng tử.
Nguồn: Chính sách và Công nghệ Thông tin và Truyền thông Số 7/2020, Tình trạng phát triển của ngành Công nghệ Điện toán Lượng tử và Phân tích Ứng dụng
Từ góc độ tổng thể của nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử, dường như không có lối tắt nào để tăng tốc ứng dụng thực tế của máy tính lượng tử, ngoại trừ nghiên cứu và phát triển, thực hành và phản ánh quyết tâm hơn, và tiến lên phía trước. Cổ nhân có câu: “Không tích sông nhỏ không làm nên sông lớn, không tích bước đi ngàn dặm” không thể vội vàng.
Đặc biệt đối với các công nghệ khám phá tiên tiến như điện toán lượng tử, nó đòi hỏi nghiên cứu và thử nghiệm hợp tác lâu dài và liên tục giữa giới khoa học và công nghiệp, thậm chí thử và sai lặp đi lặp lại. Sự trưởng thành và phổ biến của công nghệ máy tính cổ điển cũng đã trải qua 40 năm, việc nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử mới chỉ bắt đầu 20 năm, một khoảng thời gian không quá dài.
Lấy IBM làm ví dụ, IBM đã phát triển máy tính lượng tử được 12 năm và là một trong những công ty tiên phong sớm nhất trong việc nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử. Năm 2011, IBM bắt đầu tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về máy tính lượng tử; năm 2016, lần đầu tiên IBM đưa bộ xử lý lượng tử lên đám mây để cung cấp dịch vụ thử nghiệm; năm 2020, sau 10 năm đầu tư vào nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử, IBM đã công bố Lộ trình R&D cho năm 2023 đang tiến về phía trước vững chắc hơn, năm 2022, IBM đã cập nhật lộ trình đến năm 2025 và điều chỉnh lộ trình kỹ thuật sau năm 2022.
Có thể thấy rằng IBM có khả năng hiện thực hóa bản cập nhật kỹ thuật sau rất nhiều thử nghiệm, thử và sai, thậm chí là cân nhắc về mặt thương mại, điều đáng mừng là kể từ năm 2020, IBM đã kiên quyết thực hiện lộ trình và lộ trình mà hãng đã công bố. Chương trình tiếp tục có những đóng góp quan trọng cho sự phát triển của công nghệ máy tính lượng tử. Vào tháng 12 năm 2022, IBM đã giao chip lượng tử siêu dẫn Osprey có thể chuẩn bị 433 qubit theo lịch trình, đồng thời quá trình nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử siêu dẫn đã có một bước tiến vững chắc.
Một ví dụ khác là Google, cũng bắt đầu đầu tư vào nghiên cứu máy tính lượng tử từ trước năm 2015. Trong 8 năm qua, ngành công nghiệp và thậm chí toàn xã hội không ngừng nâng cao hiểu biết về máy tính lượng tử, thậm chí có lúc còn thổi phồng quá mức, thậm chí nhiều người còn cho rằng máy tính lượng tử sẽ được bán trên thị trường trong vòng vài năm nữa. Mãi cho đến năm nay, vào tháng 2 năm 2023, Google mới công bố tiến bộ của mình trong lĩnh vực sửa lỗi lượng tử trên tạp chí Nature. Các thí nghiệm khoa học nghiêm ngặt sơ bộ đã chứng minh rằng sửa lỗi lượng tử thực sự có thể cải thiện độ chính xác của điện toán lượng tử. Đó chỉ là bước thứ hai trong hành trình của Google hướng tới một máy tính lượng tử có thể sử dụng được. Vẫn còn một khoảng cách đáng kể so với máy tính lượng tử thương mại thực sự được Google lên kế hoạch vào năm 2029.
Từ quan điểm của kỷ nguyên NISQ hiện tại của máy tính lượng tử, trong điều kiện phần cứng máy tính lượng tử hiện có, việc tìm ra nhiều thuật toán hơn với cả ưu thế tính toán và giá trị kinh tế thực tế, cũng như phần mềm ứng dụng lượng tử cho các tình huống ứng dụng thực tế, được coi là một vấn đề quan trọng. ý tưởng để tăng tốc ứng dụng thực tế của điện toán lượng tử.
Lấy các thuật toán lượng tử làm ví dụ, để đạt được điều này, một mặt, giới học thuật và ngành công nghiệp cần phải hợp tác với nhau để thực hành cách khám phá và triển khai hợp lý các thuật toán lượng tử trong các tình huống thực tế như vật liệu, dược phẩm, tài chính và vật lý, và cuối cùng đạt được sức mạnh cấp độ A ngoài tính toán cổ điển trong một số tình huống. Mặt khác, ở giai đoạn này, việc triển khai nhiều hơn các nền tảng phần cứng và phần mềm máy tính lượng tử mở cho công chúng có thể đẩy nhanh quá trình phát triển, triển khai và thử nghiệm các thuật toán lượng tử trong ngành, đồng thời nhanh chóng sàng lọc các ứng dụng có giá trị tiềm năng. Và quá trình này cũng sẽ phản hồi lại sự phát triển của các ứng dụng phần mềm và phần cứng lượng tử.
Điện toán lượng tử là một công nghệ cốt lõi tạo ra kỷ nguyên và nó được kỳ vọng sẽ trở thành một ngành khoa học và công nghệ tiên tiến quan trọng để xây dựng sức mạnh tính toán trong tương lai và định hình lại thế giới tương lai. Với sự đầu tư liên tục vào nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử trong và ngoài nước, chúng ta sẽ vượt qua kỷ nguyên NISQ và bước vào kỷ nguyên FTQC, đồng thời mở ra sự xuất hiện của các thuật toán và ứng dụng lượng tử với cả ưu thế tính toán và giá trị kinh tế thực tế. Chúng ta đang mong chờ tương lai.
Hiện tại, chúng ta vẫn cần phải lạc quan một cách hợp lý, hiểu một cách khách quan về máy tính lượng tử, hiểu đầy đủ hành trình của nó từ nghiên cứu và phát triển công nghệ đến ứng dụng thực tế. Quan trọng hơn, sự phát triển của lĩnh vực điện toán lượng tử cần có sự hợp tác tích cực hơn nữa giữa các doanh nghiệp, trường đại học, cơ quan nghiên cứu về lĩnh vực điện toán lượng tử trong và ngoài nước, để làm tốt công tác R&D một cách thực chất và từng bước giải quyết các thách thức khoa học và kỹ thuật khác nhau.
