Nó hoạt động như thế nào, tại sao nó lại mạnh mẽ như vậy và nó có thể hữu ích nhất ở đâu trước tiên
ẢNH CỦA JUSTIN FANTL.
Một máy tính lượng tử khai thác một số hiện tượng gần như thần bí của cơ học lượng tử để mang lại những bước nhảy vọt về sức mạnh xử lý. Máy lượng tử hứa hẹn sẽ vượt xa cả những siêu máy tính có khả năng nhất hiện nay và ngày mai.
Tuy nhiên, chúng sẽ không quét sạch các máy tính thông thường. Sử dụng máy cổ điển vẫn sẽ là giải pháp dễ dàng và kinh tế nhất để giải quyết hầu hết các sự cố. Nhưng máy tính lượng tử hứa hẹn sẽ tạo ra những tiến bộ thú vị trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ khoa học vật liệu đến nghiên cứu dược phẩm. Các công ty đã thử nghiệm chúng để phát triển những thứ như pin nhẹ hơn và mạnh hơn cho ô tô điện và giúp tạo ra các loại thuốc mới.
Bí mật về sức mạnh của máy tính lượng tử nằm ở khả năng tạo và điều khiển các bit lượng tử hoặc qubit.
Qubit là gì?
Các máy tính ngày nay sử dụng các bit—một dòng xung điện hoặc quang đại diện cho 1 giây hoặc 0 giây. Mọi thứ từ các tweet và e-mail đến các bài hát iTunes và video trên YouTube của bạn về cơ bản là các chuỗi dài gồm các chữ số nhị phân này.
Một qubit có thể có trạng thái siêu dẫn, tức là nó có thể có một giá trị “0” hoặc “1” cũng như một sự kết hợp của hai giá trị đó. Trong khi bit truyền thống chỉ có thể có giá trị “0” hoặc “1”.
Mặt khác, máy tính lượng tử sử dụng qubit, thường là các hạt hạ nguyên tử như electron hoặc photon. Tạo và quản lý qubit là một thách thức khoa học và kỹ thuật. Một số công ty, chẳng hạn như IBM, Google và Rigetti Computing, sử dụng các mạch siêu dẫn được làm lạnh ở nhiệt độ lạnh hơn không gian sâu. Những loại khác, như IonQ, bẫy các nguyên tử riêng lẻ trong trường điện từ trên chip silicon trong buồng chân không siêu cao. Trong cả hai trường hợp, mục tiêu là cô lập các qubit ở trạng thái lượng tử được kiểm soát.
Các qubit có một số thuộc tính lượng tử kỳ quặc, nghĩa là một nhóm các qubit được kết nối có thể cung cấp nhiều sức mạnh xử lý hơn so với cùng số lượng bit nhị phân. Một trong những tính chất đó được gọi là chồng chất và một tính chất khác được gọi là vướng víu.
Chồng chất là gì?
Qubit có thể đại diện cho nhiều kết hợp có thể có của 1 và 0
cùng một lúc. Khả năng đồng thời ở nhiều trạng thái này được gọi là chồng chất. Để đặt các qubit vào trạng thái chồng chất, các nhà nghiên cứu điều khiển chúng bằng tia laser hoặc chùm vi sóng chính xác.
Nhờ hiện tượng phản trực giác này, một máy tính lượng tử với một số qubit xếp chồng lên nhau có thể xử lý đồng thời một số lượng lớn các kết quả tiềm năng. Kết quả cuối cùng của một phép tính chỉ xuất hiện sau khi các qubit được đo, điều này ngay lập tức khiến trạng thái lượng tử của chúng “suy sụp” thành 1 hoặc 0 .
Vướng víu là gì?
Các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các cặp qubit “vướng víu”, có nghĩa là hai thành viên của một cặp tồn tại ở một trạng thái lượng tử duy nhất. Thay đổi trạng thái của một trong các qubit sẽ ngay lập tức thay đổi trạng thái của qubit kia theo cách có thể dự đoán được. Điều này xảy ra ngay cả khi chúng cách nhau rất xa. 
Không ai thực sự biết làm thế nào hoặc tại sao sự vướng víu hoạt động. Nó thậm chí còn khiến Einstein bối rối, người đã mô tả nó một cách nổi tiếng là “hành động ma quái từ xa”. Nhưng nó là chìa khóa cho sức mạnh của máy tính lượng tử. Trong một máy tính thông thường, việc nhân đôi số lượng bit sẽ nhân đôi sức mạnh xử lý của nó. Nhưng nhờ vào sự vướng víu, việc bổ sung thêm qubit vào máy lượng tử sẽ tạo ra sự gia tăng theo cấp số nhân về khả năng xử lý số của nó.
Máy tính lượng tử khai thác các qubit vướng víu trong một loại chuỗi cúc lượng tử để phát huy tác dụng kỳ diệu của chúng. Khả năng tăng tốc độ tính toán của máy móc bằng các thuật toán lượng tử được thiết kế đặc biệt là lý do tại sao có rất nhiều tin đồn về tiềm năng của chúng.
Đó là tin tốt. Tin xấu là các máy lượng tử dễ bị lỗi hơn nhiều so với các máy tính cổ điển do tính không kết hợp.
Trang trí là gì?
Sự tương tác của các qubit với môi trường của chúng theo cách khiến hành vi lượng tử của chúng phân rã và cuối cùng biến mất được gọi là sự mất kết hợp. Trạng thái lượng tử của chúng cực kỳ mong manh. Sự rung động hoặc thay đổi nhỏ nhất về nhiệt độ—các nhiễu loạn được gọi là “tiếng ồn” trong ngôn ngữ lượng tử—có thể khiến chúng rơi ra khỏi vị trí chồng chất trước khi công việc của chúng được thực hiện đúng cách. Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu cố gắng hết sức để bảo vệ qubit khỏi thế giới bên ngoài trong những tủ lạnh siêu lạnh và buồng chân không đó..
Nhưng bất chấp những nỗ lực của họ, tiếng ồn vẫn gây ra rất nhiều sai sót trong tính toán. Các thuật toán lượng tử thông minh có thể bù đắp cho một số vấn đề này và việc bổ sung thêm nhiều qubit cũng sẽ hữu ích. Tuy nhiên, có thể sẽ cần hàng nghìn qubit tiêu chuẩn để tạo ra một qubit duy nhất, có độ tin cậy cao, được gọi là qubit “logic”. Điều này sẽ làm hao tổn rất nhiều năng lực tính toán của máy tính lượng tử.
Và có một khó khăn: cho đến nay, các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể tạo ra nhiều hơn 128 qubit tiêu chuẩn (xem bộ đếm qubit của chúng tôi tại đây ). Vì vậy, chúng ta vẫn còn nhiều năm nữa mới có được những chiếc máy tính lượng tử sẽ hữu ích rộng rãi.
Điều đó đã không làm sứt mẻ hy vọng trở thành người đầu tiên chứng minh “ưu thế lượng tử” của những người tiên phong.
Uy quyền lượng tử là gì?
Đó là điểm mà tại đó một máy tính lượng tử có thể hoàn thành một phép tính toán học mà ngay cả siêu máy tính mạnh nhất cũng không thể đạt được.
Vẫn chưa rõ chính xác cần bao nhiêu qubit để đạt được điều này vì các nhà nghiên cứu tiếp tục tìm ra các thuật toán mới để tăng hiệu suất của các máy cổ điển và phần cứng siêu máy tính ngày càng tốt hơn. Nhưng các nhà nghiên cứu và các công ty đang nỗ lực để khẳng định danh hiệu này, chạy thử nghiệm với một số siêu máy tính mạnh nhất thế giới.
Có rất nhiều cuộc tranh luận trong giới nghiên cứu về tầm quan trọng của việc đạt được cột mốc quan trọng này . Thay vì chờ đợi quyền lực tối cao được tuyên bố, các công ty đã bắt đầu thử nghiệm máy tính lượng tử do các công ty như IBM, Rigetti và D-Wave, một công ty của Canada, sản xuất. Các công ty Trung Quốc như Alibaba cũng đang cung cấp quyền truy cập vào máy lượng tử. Một số doanh nghiệp đang mua máy tính lượng tử, trong khi những doanh nghiệp khác đang sử dụng những máy tính có sẵn thông qua dịch vụ điện toán đám mây .
Máy tính lượng tử có khả năng hữu ích nhất ở đâu trước tiên?
Một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất của máy tính lượng tử là mô phỏng hành vi của vật chất xuống cấp độ phân tử. Các nhà sản xuất ô tô như Volkswagen và Daimler đang sử dụng máy tính lượng tử để mô phỏng thành phần hóa học của pin xe điện nhằm giúp tìm ra những cách mới để cải thiện hiệu suất của chúng. Và các công ty dược phẩm đang tận dụng chúng để phân tích và so sánh các hợp chất có thể dẫn đến việc tạo ra các loại thuốc mới. 
Các máy này cũng tuyệt vời cho các vấn đề tối ưu hóa vì chúng có thể xử lý vô số giải pháp tiềm năng cực kỳ nhanh chóng. Chẳng hạn, Airbus đang sử dụng chúng để giúp tính toán đường bay lên và xuống tiết kiệm nhiên liệu nhất cho máy bay. Và Volkswagen đã tiết lộ một dịch vụ tính toán các tuyến đường tối ưu cho xe buýt và taxi trong các thành phố nhằm giảm thiểu tắc nghẽn. Một số nhà nghiên cứu cũng cho rằng máy móc có thể được sử dụng để tăng tốc trí tuệ nhân tạo .
Có thể mất vài năm để máy tính lượng tử phát huy hết tiềm năng của chúng. Các trường đại học và doanh nghiệp làm việc với chúng đang phải đối mặt với tình trạng thiếu các nhà nghiên cứu lành nghề trong lĩnh vực này—và thiếu nhà cung cấp một số thành phần chính. Nhưng nếu những chiếc máy tính mới kỳ lạ này thực hiện đúng lời hứa của chúng, chúng có thể biến đổi toàn bộ ngành công nghiệp và thúc đẩy sự đổi mới toàn cầu.
Theo Martin Giles – MIT Technology Review