Mỗi ngày, từ smartphone đến siêu máy tính, chúng ta dùng những thiết bị xử lý hàng tỷ phép tính mỗi giây. Dù vậy, có những bài toán phức tạp nhất của khoa học và công nghiệp mà ngay cả siêu máy tính cũng phải “bó tay” sau hàng tỷ năm. Khi đó, Điện toán lượng tử xuất hiện như một công cụ hoàn toàn mới, không chỉ nhanh hơn mà vận hành theo những quy tắc khác, để giải quyết những vấn đề tưởng chừng bất khả.

Lời giải từ thế giới hạ nguyên tử điện toán lượng tử là gì

Điện toán lượng tử là cách xử lý thông tin hoàn toàn mới, dựa trên các quy luật của vật lý lượng tử. Khác với máy tính cổ điển chỉ tính từng khả năng một, máy tính lượng tử có thể xử lý hàng triệu khả năng cùng lúc nhờ vào qubit – đơn vị thông tin có thể tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái. Nhờ đó, điện toán lượng tử có thể giải quyết những bài toán cực kỳ phức tạp như mô phỏng phân tử thuốc, tối ưu hóa hệ thống tài chính hay phá vỡ mã hóa – những việc mà máy tính hiện nay không thể làm nổi.

 

"Công cụ" mới hoạt động như thế nào

Vậy, máy tính lượng tử hoạt động như thế nào để có được sức mạnh phi thường đó? Nó dựa trên hai nguyên tắc nền tảng của thế giới lượng tử.

Từ bit đến qubit: sự thay đổi nền tảng

Máy tính cổ điển sử dụng bit, giống như công tắc đèn, chỉ có thể là 0 (tắt) hoặc 1 (bật). Trong khi đó, máy tính lượng tử sử dụng qubit. Nhờ hiện tượng chồng chập lượng tử (superposition), một qubit có thể vừa là 0, vừa là 1 cùng một lúc.

Hãy tưởng tượng bạn cần tìm một lối ra trong một mê cung có một triệu lối đi. Máy tính cổ điển phải thử từng lối đi một. Máy tính lượng tử, nhờ các qubit, có thể "đi" vào tất cả một triệu lối đi đó cùng một thời điểm.

Sức mạnh của sự kết nối: vướng víu lượng tử

Không chỉ vậy, các qubit còn có thể "vướng víu" (entangled) với nhau. Khi đó, trạng thái của qubit này sẽ liên kết tức thời với qubit kia, dù chúng ở xa nhau. Sự kết nối ma thuật này cho phép máy tính lượng tử thực hiện các phép tính phức tạp trên tất cả các khả năng song song đó, tạo ra một sức mạnh tính toán khổng lồ.

 

"Chiếc búa" lượng tử trong tay các nhà khoa học ứng dụng điện toán lượng tử

"Chiếc búa" lượng tử trong tay các nhà khoa học

Điện toán lượng tử là công cụ tính toán đột phá, giúp phá vỡ những "bức tường" khoa học đã tồn tại suốt hàng thập kỷ. Dưới đây là những lĩnh vực mà sức mạnh của nó thể hiện rõ nhất:

 

Y học: Mô phỏng và thiết kế phân tử thuốc

• Bài toán nan giải: Việc mô phỏng chính xác cách một protein gây bệnh gấp cuộn trong không gian 3D là thách thức cực lớn với máy tính cổ điển, khiến việc phát triển thuốc kéo dài nhiều năm.
  
  
• Giải pháp lượng tử: Máy tính lượng tử có thể tạo bản sao kỹ thuật số chính xác của phân tử protein và thử nghiệm hàng triệu cấu trúc thuốc khác nhau cùng lúc. Nhờ đó, thời gian phát minh thuốc có thể được rút ngắn từ hàng năm xuống còn vài tháng.
  
  

Tài chính: Mô hình hóa rủi ro và tối ưu danh mục đầu tư

• Bài toán nan giải: Tối ưu danh mục đầu tư gồm hàng ngàn tài sản, trong bối cảnh biến động thị trường liên tục, là bài toán quá sức với hầu hết hệ thống hiện tại.
  
  
• Giải pháp lượng tử: Điện toán lượng tử cho phép chạy mô phỏng tài chính cực kỳ phức tạp, tính toán hàng triệu kịch bản rủi ro để đưa ra chiến lược đầu tư tối ưu trong thời gian ngắn.
  
  

 

Khoa học vật liệu và năng lượng: Thiết kế vật liệu mới

Trong lĩnh vực khoa học vật liệu và năng lượng, điện toán lượng tử mở ra khả năng mô phỏng các tương tác nguyên tử chính xác đến chưa từng thấy, từ đó phát triển pin thế hệ mới với mật độ năng lượng cao hơn và thời gian sạc chỉ tính bằng phút. Bằng cách mô phỏng cấu trúc điện tử của các hợp chất bán dẫn, các nhà nghiên cứu có thể tối ưu hóa tấm pin mặt trời để thu được nhiều điện năng hơn từ mỗi photon ánh sáng. Đồng thời, việc khám phá chất xúc tác lượng tử cho phép giảm đáng kể năng lượng kích hoạt trong quá trình sản xuất phân bón, giúp tăng hiệu suất chuyển hóa và giảm phát thải khí nhà kính. Nhờ đó, điện toán lượng tử không chỉ nâng cao hiệu suất năng lượng của sản phẩm mà còn góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp hóa chất theo hướng bền vững.

 

 

 

Tương lai điện toán lượng tử khi nào "chiếc búa" này sẵn sàng

Tương lai điện toán lượng tử vô cùng hứa hẹn, nhưng chúng ta vẫn còn ở giai đoạn đầu của cuộc hành trình.

Thách thức của sự nhiễu loạn (decoherence)

Thách thức lớn nhất hiện nay là các qubit cực kỳ nhạy cảm. Bất kỳ một tương tác nhỏ nào với môi trường bên ngoài (như một sự thay đổi nhiệt độ hay một rung động nhỏ) cũng có thể làm cho trạng thái lượng tử mong manh của chúng bị "sụp đổ", gây ra lỗi tính toán. Việc bảo vệ các qubit khỏi "sự nhiễu loạn" này đòi hỏi những môi trường vận hành siêu lạnh và cách ly tuyệt đối.

Cuộc đua toàn cầu

Các gã khổng lồ công nghệ như Google, IBM, Microsoft cùng với các chính phủ và các công ty khởi nghiệp trên toàn thế giới đang đầu tư hàng tỷ đô la vào cuộc đua này. Chúng ta đang ở trong kỷ nguyên "NISQ" (Noisy Intermediate-Scale Quantum) - tức là đã có những máy tính lượng tử với quy mô trung bình nhưng vẫn còn bị nhiễu. Các chuyên gia dự đoán sẽ cần thêm một thập kỷ nữa hoặc hơn để có được những cỗ máy lượng tử chịu lỗi (fault-tolerant) trên quy mô lớn.

 

 

Kết luận: một công cụ mới để định hình lại thế giới

Điện toán lượng tử không phải là một bản nâng cấp của máy tính hiện tại; nó là một loại hình công nghệ hoàn toàn khác, một công cụ chuyên dụng được sinh ra cho những nhiệm vụ đặc biệt. Giống như kính hiển vi cho phép chúng ta nhìn vào thế giới vi sinh, hay kính thiên văn cho phép chúng ta nhìn ra vũ trụ, máy tính lượng tử sẽ cho phép chúng ta "nhìn" và tính toán thế giới ở cấp độ phân tử theo cách chưa từng có. Khi công nghệ này trưởng thành, nó chắc chắn sẽ mở ra một kỷ nguyên mới của những khám phá khoa học và sự đổi mới của nhân loại.