Thiết bị lượng tử. Đầu tư vào tương lai. Trình tự các thao tác được thực hiện

Các siêu máy tính tiên tiến đã có khả năng thực hiện hàng chục triệu tỷ phép tính mỗi giây. Nhưng có một số vấn đề mà họ không thể giải quyết được. Hãy đưa ra một ví dụ.

Chúng ta được bao quanh bởi các công nghệ mật mã ở khắp mọi nơi: chúng được sử dụng trong các ứng dụng nhắn tin tức thời hoặc giao dịch bằng thẻ ngân hàng, tiền điện tử, lưu trữ dữ liệu an toàn, v.v. Thông tin được mã hóa liên tục khi nó được gửi và giải mã sau khi nhận được để chỉ những người có mục đích sử dụng nó mới có thể đọc được. Có nhiều hệ thống mã hóa khác nhau (AES, RSA), nhưng tất cả chúng đều dựa trên việc sử dụng hệ số hóa (phân tách thành thừa số nguyên tố).

Bạn nghĩ chúng tôi đã nhân loại số nguyên tố nào để có được số bên dưới, đại diện cho khóa mã hóa 2048 bit (các khóa được tạo bằng thuật toán RSA được trao đổi giữa những người nhận để ký tin nhắn bí mật với họ)?

Đừng bận tâm: việc tìm ra những số nguyên tố mà chúng được tạo thành là một nhiệm vụ khó khăn. Nhưng nó khó không chỉ với bạn mà còn với cả một chiếc máy tính cổ điển. Nếu chúng ta sử dụng toàn bộ sức mạnh tính toán trên thế giới thì sẽ phải mất cả tỷ năm mới giải quyết được! Nhưng một máy tính lượng tử có thể giải quyết nó trong 100 giây. Tốc độ điên cuồng của anh ấy sẽ cho phép anh ấy làm điều này.

Nhân tiện, tốc độ giải quyết vấn đề tăng lên nghiêm trọng như vậy sẽ kéo theo việc tái cơ cấu toàn bộ hệ thống tài chính toàn cầu, bởi vì nếu không có mã hóa đáng tin cậy, nó sẽ không thể hoạt động (đùa đấy - ai có máy tính lượng tử không? sẽ có thể làm giả thông tin rằng họ sở hữu bất kỳ số tiền nào).

Nếu việc phát minh ra máy tính lượng tử sẽ kéo theo những thay đổi quy mô lớn như vậy, có lẽ sẽ tốt hơn nếu không có nó hoàn toàn? Hầu như không, bởi vì lợi ích của những chiếc máy như vậy lớn hơn nhiều so với rắc rối. Các siêu máy tính nhị phân hiện tại rất mạnh mẽ, nhưng mặc dù có hiệu suất ấn tượng nhưng chúng khó có thể giải quyết được tất cả các vấn đề mà con người dự định đặt ra.

Ví dụ, ngày nay, khoảng 35% thời gian của siêu máy tính được dành để giải quyết các vấn đề trong lĩnh vực hóa học lượng tử và khoa học vật liệu: việc tính toán hành vi của từng phân tử đòi hỏi một lượng tài nguyên máy tính khổng lồ (và chúng ta chỉ đang nói về những vấn đề mà chúng ta đã giải quyết được). biết cách giải quyết chúng).

Ngoài ra, có một số vấn đề mà máy tính cổ điển phải mất hàng triệu năm mới giải được hoặc chưa thể giải được, kể cả về mặt lý thuyết. Vì vậy, để hiểu chính xác phản ứng hóa học này sẽ diễn ra như thế nào, chẳng hạn, bạn cần phải tính đến các quá trình lượng tử liên quan đến nó và điều này chỉ có thể được thực hiện với sự trợ giúp của máy tính lượng tử. Nếu thành công, điều này sẽ mang lại cho mọi người cơ hội nghiên cứu kỹ lưỡng (và do đó lặp lại) các hiện tượng như quang hợp.

Tại sao máy tính lượng tử lại mạnh mẽ đến vậy? Điều chính giúp phân biệt chúng với các mã nhị phân cổ điển là việc sử dụng qubit, không giống như bit, có thể đồng thời nhận hai giá trị: 0 và 1. “Tính đối ngẫu” này đảm bảo tính song song của các phép tính lượng tử, bởi vì không còn cần thiết phải đi qua tất cả các trạng thái có thể có của hệ thống. Một tập hợp chỉ 30 qubit có thể tạo thành 2 chuỗi nhị phân 30 (nghĩa là hơn một tỷ) - đây chính xác là số bit cần thiết để xử lý chúng đồng thời. Chỉ là một sự tiết kiệm vũ trụ về không gian, năng lượng và thời gian!

Trên máy tính lượng tử có công suất 100-200 qubit, chúng ta có thể xây dựng mô phỏng chính xác của các quá trình hóa học phức tạp: chẳng hạn như quá trình cố định nitơ - sự chuyển đổi nitơ có trong khí quyển thành các hợp chất chứa nitơ. Phản ứng này được sử dụng rộng rãi để sản xuất amoniac, chất cần thiết để sản xuất phân bón quan trọng nhằm nuôi sống dân số ngày càng tăng trên thế giới. Quy trình công nghiệp sản xuất amoniac hầu như không thay đổi trong thế kỷ qua và tiêu tốn nhiều năng lượng: sản xuất nó đòi hỏi từ 1% đến 3% trữ lượng khí đốt tự nhiên của thế giới. Sử dụng một máy tính lượng tử đủ mạnh, thông qua mô phỏng, các nhà khoa học có thể chọn chất xúc tác hiệu quả hơn giúp phản ứng tiêu tốn ít năng lượng hơn.

Nhờ máy tính lượng tử, các vấn đề như tìm kiếm sự sống thông minh trong Vũ trụ, phát triển các phương pháp truyền năng lượng mới dựa trên chất siêu dẫn, chẩn đoán ung thư ở giai đoạn sớm, lập mô hình phân tử DNA và tạo ra các chất giúp làm sạch không khí khỏi các chất ô nhiễm có hại có thể được giải quyết. đã giải quyết. Khả năng tính toán cao của máy tính lượng tử có thể giúp ích rất nhiều cho việc tạo ra các loại thuốc mới hiệu quả.

Điều đáng khích lệ là nhân loại đang tiến gần hơn đến việc tạo ra một máy tính lượng tử hoàn chỉnh - các tập đoàn toàn cầu đã đầu tư vào lĩnh vực này từ lâu. Đặc biệt, các hệ thống qubit tôpô do Microsoft tạo ra đã cho thấy khả năng duy trì trạng thái lượng tử trong thời gian dài mà không cần thêm thủ thuật nào, cũng như có thể mở rộng quy mô lên đến kích thước của một máy tính chính thức. Và vào cuối năm ngoái, công ty đã giới thiệu ngôn ngữ lập trình cho máy tính lượng tử.

Một ý tưởng tưởng chừng như khoa học viễn tưởng thuần túy cách đây 30 năm nay đã trở thành hiện thực. Ai biết được, có thể trong thập kỷ tới, chúng ta sẽ chứng kiến một kỷ nguyên mới của công nghệ kỹ thuật số và máy tính lượng tử sẽ biến đổi thế giới của chúng ta đến mức không thể nhận ra, mang đến cho con người những cơ hội mà trước đây anh ta chỉ có thể mơ ước.

Lượng thông tin trên thế giới tăng hàng năm 30%. Chỉ trong 5 năm vừa qua, nhân loại đã sản xuất nhiều dữ liệu hơn trong tất cả lịch sử trước đó. Các hệ thống Internet of Things đang nổi lên, trong đó mỗi cảm biến gửi và nhận lượng dữ liệu khổng lồ mỗi giây, và các nhà phân tích dự đoán rằng số lượng đồ vật được kết nối Internet sẽ sớm vượt quá số lượng người dùng là con người. Lượng thông tin khổng lồ này cần được lưu trữ ở đâu đó và được xử lý bằng cách nào đó.

Hiện nay đã có những siêu máy tính có công suất hơn 50 petaflop (1 petaflop = 1 nghìn nghìn tỷ phép tính mỗi giây). Tuy nhiên, sớm hay muộn chúng ta cũng sẽ đạt đến giới hạn vật lý về sức mạnh có thể có của bộ xử lý. Tất nhiên, siêu máy tính vẫn có thể tăng kích thước, nhưng đây không phải là giải pháp cho vấn đề, vì kích thước cuối cùng sẽ đạt đến giới hạn. Theo các nhà khoa học, định luật Moore sẽ sớm ngừng áp dụng và nhân loại sẽ cần những thiết bị, công nghệ xử lý dữ liệu mới, mạnh mẽ hơn rất nhiều. Do đó, các công ty CNTT lớn đang nỗ lực tạo ra một loại máy tính mang tính cách mạng hoàn toàn mới, sức mạnh của nó sẽ lớn hơn hàng trăm lần so với những gì chúng ta có ngày nay. Đây là một máy tính lượng tử. Các chuyên gia hứa hẹn rằng nhờ nó, có thể tìm ra phương pháp chữa trị ung thư, tìm ra tội phạm ngay lập tức bằng cách phân tích cảnh quay camera và mô phỏng các phân tử DNA. Bây giờ thật khó để tưởng tượng những vấn đề khác mà anh ấy có thể giải quyết.

Microsoft đang cố gắng đi đầu trong việc phát triển lĩnh vực này, đã nghiên cứu nó trong 20 năm, bởi vì ai là người đầu tiên tạo ra máy tính lượng tử sẽ nhận được lợi thế cạnh tranh không thể phủ nhận. Hơn nữa, công ty không chỉ nghiên cứu tạo ra phần cứng mà gần đây còn giới thiệu một ngôn ngữ lập trình mà các nhà phát triển có thể sử dụng. Trên thực tế, rất ít người có thể tự hào rằng họ hiểu nguyên lý hoạt động của thiết bị mang tính cách mạng này; đối với hầu hết chúng ta, nó là một thứ gì đó không có thật trong khoa học viễn tưởng. Vậy anh ấy là gì?

Một trong những bộ phận quan trọng nhất của máy tính, phụ thuộc trực tiếp vào sức mạnh của nó, là bộ xử lý, bộ xử lý này bao gồm một số lượng lớn bóng bán dẫn. Bóng bán dẫn là bộ phận đơn giản nhất của hệ thống, chúng hơi giống với công tắc và chỉ có thể ở hai vị trí: “bật” hoặc “tắt”. Chính từ sự kết hợp của các vị trí này mà mã nhị phân được hình thành, bao gồm các số 0 và số 1, dựa trên đó tất cả các ngôn ngữ lập trình.

Theo đó, máy tính càng mạnh thì càng cần nhiều bóng bán dẫn để hoạt động. Các nhà sản xuất liên tục giảm kích thước của họ, cố gắng lắp càng nhiều bộ vi xử lý càng tốt. Ví dụ: có hàng tỷ trong số đó trong Xbox One X mới.

Bây giờ kích thước của một bóng bán dẫn là 10 milimet, nghĩa là một phần trăm nghìn milimét. Nhưng một ngày nào đó sẽ đạt đến một giới hạn vật lý, nhỏ hơn mức mà bóng bán dẫn đơn giản là không thể tạo ra được. Để tránh khủng hoảng trong sự phát triển của CNTT, các nhà khoa học đang nỗ lực tạo ra một chiếc máy tính hoạt động theo nguyên tắc hoàn toàn khác - lượng tử. Các bóng bán dẫn sẽ tạo nên một máy tính lượng tử có thể ở hai vị trí đồng thời: “bật” và “tắt” và theo đó, có thể vừa là 1 vừa là 0, điều này được gọi là “chồng chất”.

Nếu chúng ta lấy 4 bóng bán dẫn (bit) tiêu chuẩn, thì chúng hoạt động cùng nhau có thể tạo ra 16 tổ hợp số 1 và số 0 khác nhau. Cùng một lúc.

Nếu chúng ta xem xét 4 bóng bán dẫn lượng tử (qubit), thì chúng có thể là tất cả 16 tổ hợp cùng một lúc. Đây là một tiết kiệm không gian và thời gian rất lớn!

Nhưng tất nhiên, việc tạo ra qubit là rất rất khó. Các nhà khoa học phải giải quyết các hạt hạ nguyên tử tuân theo định luật cơ học lượng tử, phát triển một cách tiếp cận hoàn toàn mới về lập trình và ngôn ngữ.

Có nhiều loại qubit khác nhau. Ví dụ, các chuyên gia của Microsoft đang nỗ lực tạo ra các qubit tôpô. Chúng cực kỳ mỏng manh và dễ bị phá hủy bởi những sóng âm thanh hoặc bức xạ nhiệt nhỏ nhất. Để hoạt động ổn định, chúng cần liên tục ở nhiệt độ –273°C. Tuy nhiên, chúng cũng có một số ưu điểm so với các loại khác: thông tin được lưu trữ trong chúng thực tế không có lỗi và theo đó, máy tính lượng tử được tạo ra trên cơ sở các qubit tôpô sẽ là một hệ thống cực kỳ đáng tin cậy.

Máy tính lượng tử của Microsoft bao gồm ba cấp độ chính: cấp độ thứ nhất chính là máy tính lượng tử, chứa qubit và luôn nằm ở nhiệt độ gần bằng 0 tuyệt đối; cấp độ tiếp theo là máy tính đông lạnh - đây cũng là loại máy tính hoàn toàn mới điều khiển lượng tử và hoạt động ở nhiệt độ –268°C; cấp độ cuối cùng là một máy tính mà một người có thể làm việc trên đó và điều khiển toàn bộ hệ thống. Những máy tính như vậy sẽ mạnh hơn 100–300 lần so với những siêu máy tính tiên tiến nhất hiện nay.

Ngày nay, thế giới đã tiến gần hơn bao giờ hết đến việc phát minh ra máy tính lượng tử thực sự: có sự hiểu biết về nguyên lý hoạt động, nguyên mẫu của nó. Và vào thời điểm khi sức mạnh của máy tính thông thường trong việc xử lý toàn bộ thông tin hiện có trên Trái đất không còn đủ nữa thì máy tính lượng tử sẽ xuất hiện, đánh dấu một kỷ nguyên hoàn toàn mới của công nghệ số.

Những cỗ máy như vậy hiện nay đơn giản là cần thiết trong bất kỳ lĩnh vực nào: y học, hàng không, thám hiểm không gian. Hiện nay, máy tính đang được phát triển dựa trên công nghệ điện toán và vật lý lượng tử. Những điều cơ bản về hoạt động của một thiết bị điện toán như vậy vẫn chưa có sẵn đối với người dùng thông thường và được coi là một điều gì đó khó hiểu. Suy cho cùng, không phải ai cũng quen thuộc với tính chất quang tử của các hạt và nguyên tử cơ bản. Để hiểu ít nhất một chút về cách thức hoạt động của máy tính này, bạn cần biết và hiểu các nguyên tắc cơ bản của cơ học lượng tử. Phần lớn, chiếc máy tính mạch lạc này đang được phát triển cho NASA.

Một máy thông thường thực hiện các hoạt động bằng cách sử dụng các bit cổ điển, có thể lấy các giá trị 0 hoặc 1. Mặt khác, máy tính quang tử sử dụng các bit hoặc qubit kết hợp. Chúng có thể đảm nhận các giá trị 1 và 0 cùng một lúc. Đây chính là điều mang lại cho công nghệ điện toán này sức mạnh tính toán vượt trội. Có một số loại đối tượng tính toán có thể được sử dụng làm qubit.

Hạt nhân của một nguyên tử.
Điện tử.

Tất cả các electron đều có từ trường, theo quy luật, chúng trông giống như những nam châm nhỏ và đặc tính này được gọi là spin. Nếu bạn đặt chúng trong từ trường, chúng sẽ điều chỉnh theo cách giống như kim la bàn. Đây là vị trí có năng lượng thấp nhất nên chúng ta có thể gọi nó là độ xoáy bằng 0 hoặc độ xoáy thấp. Nhưng có thể chuyển hướng electron sang trạng thái “một” hoặc tới spin trên cùng. Nhưng điều này đòi hỏi năng lượng. Nếu bạn tháo kính ra khỏi la bàn, bạn có thể chuyển hướng mũi tên theo hướng khác, nhưng điều này cần có lực.

Có hai phụ kiện: độ xoáy thấp và độ xoáy cao, tương ứng với mức 1 và 0 cổ điển. Nhưng thực tế là các vật thể quang tử có thể ở hai vị trí cùng một lúc. Khi đo độ xoáy, nó sẽ lên hoặc xuống. Nhưng trước khi đo, electron sẽ tồn tại ở trạng thái gọi là chồng chất lượng tử, trong đó các hệ số này biểu thị xác suất tương đối để electron ở trạng thái này hay trạng thái khác.

Thật khó để tưởng tượng làm thế nào điều này mang lại cho các cỗ máy kết hợp sức mạnh tính toán đáng kinh ngạc mà không xem xét sự tương tác của hai qubit. Hiện nay có bốn trạng thái có thể có của các electron này. Trong ví dụ hai bit điển hình, chỉ cần hai bit thông tin. Vì vậy, hai qubit chứa bốn loại thông tin. Điều này có nghĩa là bạn cần biết bốn con số để biết vị trí của hệ thống. Và nếu bạn thực hiện ba vòng quay, bạn sẽ có được tám vị trí khác nhau và trong phiên bản thông thường, bạn sẽ cần ba bit. Hóa ra lượng thông tin chứa trong N qubit bằng 2N bit tiêu chuẩn. Hàm mũ cho biết rằng, chẳng hạn, nếu có 300 qubit, thì bạn sẽ phải tạo ra các sự chồng chất cực kỳ phức tạp trong đó tất cả 300 qubit sẽ được kết nối với nhau. Sau đó, chúng ta nhận được 2300 bit cổ điển, bằng số lượng hạt trong toàn bộ vũ trụ. Theo đó, cần phải tạo ra một trình tự logic để có thể thu được kết quả tính toán có thể đo lường được. Đó là, chỉ bao gồm các phụ kiện tiêu chuẩn. Hóa ra một cỗ máy mạch lạc không phải là sự thay thế cho những cỗ máy thông thường. Chúng chỉ nhanh hơn trong việc tính toán khi có thể sử dụng tất cả các phép xếp chồng có sẵn. Và nếu bạn chỉ muốn xem video chất lượng cao, trò chuyện trên Internet hoặc viết một bài báo cho công việc, máy tính photon sẽ không ưu tiên cho bạn.

Video này mô tả quá trình của một máy tính lượng tử.

Nói một cách đơn giản, hệ thống mạch lạc được thiết kế không phải để đạt được tốc độ tính toán mà để đạt được số lượng cần thiết để đạt được kết quả, sẽ xảy ra trong một đơn vị thời gian tối thiểu.

Hoạt động của máy tính cổ điển dựa trên việc xử lý thông tin bằng chip silicon và bóng bán dẫn. Họ sử dụng mã nhị phân, lần lượt bao gồm các số 1 và số 0. Một cỗ máy mạch lạc hoạt động trên cơ sở chồng chất. Thay vì bit, qubit được sử dụng. Điều này cho phép bạn không chỉ nhanh chóng mà còn thực hiện các phép tính chính xác nhất có thể.

Hệ thống tính toán photon mạnh nhất sẽ là gì? Ví dụ: nếu một máy tính quang tử có hệ thống 30 qubit thì sức mạnh của nó sẽ là 10 nghìn tỷ phép tính mỗi giây. Hiện nay, máy tính hai bit mạnh nhất có thể đếm được một tỷ phép tính mỗi giây.

Một nhóm lớn các nhà khoa học từ nhiều quốc gia khác nhau đã phát triển một kế hoạch theo đó kích thước của bộ máy quang tử sẽ gần bằng kích thước của một sân bóng đá. Anh ấy sẽ là người mạnh nhất thế giới. Đây sẽ là một loại cấu trúc được tạo thành từ các mô-đun, được đặt trong chân không. Bên trong mỗi mô-đun là điện trường bị ion hóa. Với sự giúp đỡ của họ, một số phần nhất định của mạch sẽ được hình thành để thực hiện các hành động logic đơn giản. Một ví dụ về công nghệ điện toán quang tử như vậy đang được phát triển tại Đại học Sussex ở Anh. Chi phí ước tính hiện nay là hơn 130 triệu USD.

Mười năm trước, D-Wave đã giới thiệu máy tính kết hợp đầu tiên trên thế giới, bao gồm 16 qubit. Mỗi qubit lần lượt bao gồm một tinh thể niobi, được đặt trong một cuộn cảm. Dòng điện chạy vào cuộn dây tạo ra một từ trường. Tiếp theo, nó thay đổi tư cách thành viên nơi đặt qubit. Sử dụng một chiếc máy như vậy, bạn có thể dễ dàng tìm ra cách các loại thuốc tổng hợp tương tác với protein trong máu.
Hoặc có thể xác định được một căn bệnh như ung thư ở giai đoạn sớm hơn.

Video này bao gồm các cuộc thảo luận về chủ đề “Tại sao thế giới cần máy tính lượng tử”. Đừng quên để lại ý kiến, câu hỏi của bạn và chỉ

Nhân loại, giống như 60 năm trước, một lần nữa đang đứng trước một bước đột phá lớn trong lĩnh vực công nghệ máy tính. Chẳng bao lâu nữa, các máy tính ngày nay sẽ được thay thế bằng máy tính lượng tử.

Sự tiến bộ đã đến bao xa?

Trở lại năm 1965, Gordon Moore đã nói rằng trong một năm, số lượng bóng bán dẫn lắp trên một vi mạch silicon sẽ tăng gấp đôi. Tốc độ tiến bộ này đã chậm lại gần đây và việc nhân đôi xảy ra ít thường xuyên hơn - cứ hai năm một lần. Thậm chí tốc độ này sẽ cho phép các bóng bán dẫn đạt kích thước của một nguyên tử trong tương lai gần. Tiếp theo là một ranh giới không thể vượt qua. Từ quan điểm về cấu trúc vật lý của bóng bán dẫn, nó không thể nhỏ hơn số lượng nguyên tử theo bất kỳ cách nào. Tăng kích thước chip không giải quyết được vấn đề. Hoạt động của bóng bán dẫn gắn liền với việc giải phóng năng lượng nhiệt và bộ xử lý cần một hệ thống làm mát chất lượng cao. Kiến trúc đa lõi cũng không giải quyết được vấn đề tăng trưởng hơn nữa. Việc đạt đến đỉnh cao trong sự phát triển của công nghệ vi xử lý hiện đại sẽ sớm xảy ra.
Các nhà phát triển hiểu ra vấn đề này vào thời điểm người dùng mới bắt đầu sử dụng máy tính cá nhân. Năm 1980, một trong những người sáng lập khoa học thông tin lượng tử, giáo sư Liên Xô Yuuri Manin, đã đưa ra ý tưởng về điện toán lượng tử. Một năm sau, Richard Feyman đề xuất mẫu máy tính đầu tiên có bộ xử lý lượng tử. Cơ sở lý thuyết về hình dáng của máy tính lượng tử đã được Paul Benioff xây dựng.

Máy tính lượng tử hoạt động như thế nào

Để hiểu cách thức hoạt động của bộ xử lý mới, ít nhất bạn phải có kiến thức sơ sài về các nguyên lý của cơ học lượng tử. Không có ích gì khi đưa ra các bố cục và công thức toán học ở đây. Một người bình thường chỉ cần làm quen với ba đặc điểm nổi bật của cơ học lượng tử là đủ:

Trạng thái hoặc vị trí của hạt chỉ được xác định với một mức độ xác suất nào đó.
Nếu một hạt có thể có nhiều trạng thái thì nó có thể ở tất cả các trạng thái cùng một lúc. Đây là nguyên tắc chồng chất.
Quá trình đo trạng thái của hạt dẫn đến sự biến mất của sự chồng chất. Đặc điểm là kiến thức về trạng thái của hạt thu được từ phép đo khác với trạng thái thực của hạt trước khi đo.

Từ quan điểm của lẽ thường - hoàn toàn vô nghĩa. Trong thế giới bình thường của chúng ta, những nguyên tắc này có thể được biểu diễn như sau: cửa phòng đóng, đồng thời mở. Đóng và mở cùng một lúc.

Đây là sự khác biệt nổi bật giữa các tính toán. Một bộ xử lý thông thường hoạt động ở mã nhị phân. Các bit máy tính chỉ có thể ở một trạng thái - có giá trị logic là 0 hoặc 1. Máy tính lượng tử hoạt động với các qubit, có thể có giá trị logic 0, 1, 0 và 1 cùng một lúc. Để giải quyết một số vấn đề nhất định, chúng sẽ có lợi thế trị giá hàng triệu đô la so với các máy tính truyền thống. Ngày nay đã có hàng chục mô tả về thuật toán công việc. Các lập trình viên tạo ra mã chương trình đặc biệt có thể hoạt động theo các nguyên tắc tính toán mới.

Máy tính mới sẽ được sử dụng ở đâu?

Một cách tiếp cận mới đối với quy trình tính toán cho phép bạn làm việc với lượng dữ liệu khổng lồ và thực hiện các hoạt động tính toán tức thì. Với sự ra đời của những chiếc máy tính đầu tiên, một số người, bao gồm cả các quan chức chính phủ, đã tỏ ra hoài nghi rất nhiều về việc sử dụng chúng trong nền kinh tế quốc gia. Ngày nay vẫn còn những người đầy nghi ngờ về tầm quan trọng của máy tính đối với thế hệ cơ bản mới. Trong một thời gian rất dài, các tạp chí kỹ thuật đã từ chối xuất bản các bài báo về điện toán lượng tử, coi lĩnh vực này là một mưu đồ lừa đảo phổ biến nhằm đánh lừa các nhà đầu tư.

Một phương pháp tính toán mới sẽ tạo tiền đề cho những khám phá khoa học vĩ đại trong mọi ngành công nghiệp. Y học sẽ giải quyết được nhiều vấn đề nan giải, trong đó đã tích lũy khá nhiều vấn đề gần đây. Sẽ có thể chẩn đoán ung thư ở giai đoạn sớm hơn của bệnh so với hiện nay. Ngành công nghiệp hóa chất sẽ có thể tổng hợp các sản phẩm có đặc tính độc đáo.

Một bước đột phá trong lĩnh vực du hành vũ trụ sẽ không còn lâu nữa. Các chuyến bay đến các hành tinh khác sẽ trở nên phổ biến như những chuyến đi hàng ngày quanh thành phố. Tiềm năng vốn có của điện toán lượng tử chắc chắn sẽ biến đổi hành tinh của chúng ta đến mức không thể nhận ra.

Một tính năng đặc biệt khác mà máy tính lượng tử có là khả năng tính toán lượng tử để nhanh chóng tìm ra mã hoặc mật mã mong muốn. Một máy tính thông thường thực hiện một giải pháp tối ưu hóa toán học một cách tuần tự, thử hết phương án này đến phương án khác. Đối thủ lượng tử làm việc với toàn bộ mảng dữ liệu cùng một lúc, chọn ra các tùy chọn phù hợp nhất với tốc độ cực nhanh trong thời gian ngắn chưa từng có. Các giao dịch ngân hàng sẽ được giải mã trong chớp mắt, điều mà máy tính hiện đại không thể tiếp cận được.

Tuy nhiên, ngành ngân hàng không cần lo lắng - bí mật của nó sẽ được lưu lại bằng phương pháp mã hóa lượng tử với nghịch lý đo lường. Khi bạn cố mở mã, tín hiệu truyền đi sẽ bị méo. Thông tin nhận được sẽ không có ý nghĩa gì. Các cơ quan mật vụ, vốn thường coi hoạt động gián điệp, quan tâm đến khả năng của điện toán lượng tử.

Khó khăn trong thiết kế

Khó khăn nằm ở việc tạo ra các điều kiện để bit lượng tử có thể duy trì ở trạng thái chồng chất vô thời hạn.

Mỗi qubit là một bộ vi xử lý hoạt động dựa trên nguyên lý siêu dẫn và các định luật cơ học lượng tử.

Một số điều kiện môi trường độc đáo được tạo ra xung quanh các phần tử vi mô của máy logic:

nhiệt độ 0,02 độ Kelvin (-269,98 độ C);
hệ thống bảo vệ chống lại bức xạ từ và điện (giảm tác động của các yếu tố này xuống 50 nghìn lần);
hệ thống loại bỏ nhiệt và giảm rung;
độ hiếm của không khí thấp hơn 100 tỷ lần so với áp suất khí quyển.

Một sai lệch nhỏ trong môi trường sẽ khiến các qubit ngay lập tức mất trạng thái chồng chất, dẫn đến trục trặc.

Đi trước phần còn lại của hành tinh

Tất cả những điều trên có thể là do sự sáng tạo trong tâm trí đầy nhiệt huyết của một nhà văn viết truyện khoa học viễn tưởng nếu Google cùng với NASA năm ngoái đã không mua máy tính lượng tử D-Wave từ một tập đoàn nghiên cứu Canada, bộ xử lý của nó có chứa 512 qubit.

Với sự trợ giúp của nó, công ty dẫn đầu thị trường công nghệ máy tính sẽ giải quyết các vấn đề về máy học trong việc sắp xếp và phân tích lượng lớn dữ liệu.

Snowden, người đã rời Mỹ, cũng đưa ra một tuyên bố tiết lộ quan trọng - NSA cũng có kế hoạch phát triển máy tính lượng tử của riêng mình.

2014 - khởi đầu kỷ nguyên của hệ thống D-Wave

Vận động viên thành công người Canada Geordie Rose, sau khi thỏa thuận với Google và NASA, đã bắt đầu chế tạo bộ xử lý 1000 qubit. Mô hình tương lai sẽ vượt xa nguyên mẫu thương mại đầu tiên ít nhất 300 nghìn lần về tốc độ và khối lượng tính toán. Máy tính lượng tử, trong hình bên dưới, là phiên bản thương mại đầu tiên trên thế giới của công nghệ điện toán mới về cơ bản.

Ông được người quen ở trường đại học thúc đẩy tham gia phát triển khoa học với các tác phẩm của Colin Williams về điện toán lượng tử. Phải nói rằng hiện nay Williams đang làm việc tại tập đoàn của Rose với vai trò giám đốc dự án kinh doanh.

Trò lừa bịp mang tính đột phá hoặc khoa học

Bản thân Rose cũng không biết đầy đủ máy tính lượng tử là gì. Trong mười năm, nhóm của ông đã đi từ việc tạo ra bộ xử lý 2 qubit trở thành đứa con tinh thần thương mại đầu tiên hiện nay.

Ngay từ khi bắt đầu nghiên cứu, Rose đã tìm cách tạo ra một bộ xử lý có số lượng qubit tối thiểu là 1 nghìn qubit. Và anh ấy chắc chắn phải có một lựa chọn thương mại - để bán và kiếm tiền.

Nhiều người biết nỗi ám ảnh và sự nhạy bén trong thương mại của Rose, đang cố gắng buộc tội anh ta giả mạo. Bị cáo buộc, bộ xử lý thông thường nhất được coi là lượng tử. Điều này cũng được hỗ trợ bởi thực tế là công nghệ mới thể hiện hiệu suất phi thường khi thực hiện một số loại phép tính nhất định. Nếu không, nó hoạt động giống như một chiếc máy tính hoàn toàn bình thường, chỉ có điều là rất đắt tiền.

Khi nào chúng sẽ xuất hiện

Không có nhiều thời gian để chờ đợi. Một nhóm nghiên cứu do những người cùng mua nguyên mẫu tổ chức sẽ báo cáo kết quả nghiên cứu về D-Wave trong thời gian tới.
Có lẽ sắp đến lúc máy tính lượng tử sẽ cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về thế giới xung quanh. Và toàn thể nhân loại tại thời điểm này sẽ đạt đến trình độ tiến hóa cao hơn.

Theo các chuyên gia, chẳng bao lâu nữa, trong 10 năm nữa, các vi mạch trong máy tính sẽ đạt tới các phép đo nguyên tử. Có vẻ hợp lý khi thời đại của máy tính lượng tử đang đến, với sự trợ giúp của nó, tốc độ của hệ thống máy tính có thể tăng lên gấp nhiều lần.

Ý tưởng về máy tính lượng tử còn khá mới: vào năm 1981, Paul Benioff lần đầu tiên mô tả về mặt lý thuyết các nguyên lý hoạt động của máy Turing lượng tử.

Vào những năm 1930, Alan Turing lần đầu tiên mô tả một thiết bị lý thuyết băng vô tận được chia thành các ô nhỏ. Mỗi ô có thể chứa ký tự 1 hoặc 0 hoặc để trống.

Thiết bị điều khiển di chuyển dọc theo băng, đọc ký tự và viết ký tự mới. Từ một tập hợp các ký hiệu như vậy, một chương trình được biên dịch và máy phải thực thi.

Trong máy Turing lượng tử do Benioff đề xuất, nguyên lý hoạt động vẫn giữ nguyên, điểm khác biệt là cả băng và thiết bị điều khiển đều ở trạng thái lượng tử.

Điều này có nghĩa là các ký hiệu trên băng không chỉ có thể là 0 và 1 mà còn có thể là chồng chất của cả hai số, tức là 0 và 1 cùng một lúc. Do đó, nếu một máy Turing cổ điển chỉ có khả năng thực hiện một phép tính tại một thời điểm, thì máy lượng tử sẽ thực hiện một số phép tính song song.

Máy tính ngày nay hoạt động theo nguyên tắc giống như máy Turing thông thường - với các bit ở một trong hai trạng thái: 0 hoặc 1. Máy tính lượng tử không có hạn chế nào như vậy: thông tin trong chúng được mã hóa thành bit lượng tử (qubit), có thể chứa sự chồng chất của cả hai bang.

Làm việc trên một phần của máy tính lượng tử D-Wave

Các hệ thống vật lý thực hiện qubit có thể là nguyên tử, ion, photon hoặc electron có hai trạng thái lượng tử. Trên thực tế, nếu bạn tạo ra các hạt cơ bản làm vật mang thông tin, bạn có thể sử dụng chúng để xây dựng bộ nhớ máy tính và bộ xử lý thế hệ mới.

Nhờ sự chồng chất của qubit, máy tính lượng tử vốn được thiết kế để thực hiện các phép tính song song. Sự song song này, theo nhà vật lý David Deutsch, cho phép máy tính lượng tử thực hiện đồng thời hàng triệu phép tính, trong khi các bộ xử lý hiện đại chỉ làm việc với một phép tính.

Một máy tính lượng tử 30 qubit sẽ có sức mạnh tương đương với một siêu máy tính hoạt động ở tốc độ 10 teraflop (nghìn tỷ phép tính mỗi giây). Sức mạnh của máy tính để bàn hiện đại được đo bằng gigaflop (tỷ thao tác mỗi giây).

Một hiện tượng cơ học lượng tử quan trọng khác có thể liên quan đến máy tính lượng tử được gọi là “sự vướng víu”. Vấn đề chính của việc đọc thông tin từ các hạt lượng tử là trong quá trình đo, chúng có thể thay đổi trạng thái một cách hoàn toàn không thể đoán trước được.

Trên thực tế, nếu chúng ta đọc thông tin từ một qubit ở trạng thái chồng chất, chúng ta sẽ chỉ nhận được 0 hoặc 1 chứ không bao giờ nhận được cả hai số cùng một lúc. Điều này có nghĩa là thay vì máy tính lượng tử, chúng ta sẽ làm việc với một máy tính cổ điển thông thường.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học phải sử dụng các phép đo không phá hủy hệ lượng tử. Sự vướng víu lượng tử cung cấp một giải pháp tiềm năng.

Trong vật lý lượng tử, nếu bạn tác dụng một ngoại lực lên hai nguyên tử, chúng có thể "vướng víu" vào nhau theo cách mà một trong hai nguyên tử có những đặc tính của nguyên tử kia. Điều này, đến lượt nó, sẽ dẫn đến một thực tế là, chẳng hạn, khi đo spin của một nguyên tử, cặp song sinh “vướng víu” của nó sẽ ngay lập tức lấy spin ngược lại.

Đặc tính này của các hạt lượng tử cho phép các nhà vật lý biết giá trị của một qubit mà không cần đo trực tiếp.

Một ngày nào đó, máy tính lượng tử có thể thay thế chip silicon, giống như bóng bán dẫn thay thế ống chân không. Tuy nhiên, công nghệ hiện đại vẫn chưa cho phép chế tạo máy tính lượng tử chính thức.

Lắp ráp bộ xử lý máy tính lượng tử D-Wave Two

Tuy nhiên, mỗi năm, các nhà nghiên cứu đều công bố những tiến bộ mới trong công nghệ lượng tử và hy vọng rằng một ngày nào đó máy tính lượng tử sẽ có thể vượt qua máy tính thông thường.

1998

Các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Massachusetts lần đầu tiên đã thành công trong việc phân phối một qubit giữa ba spin hạt nhân trong mỗi phân tử alanine hoặc phân tử trichloroethylene lỏng. Sự phân bố này cho phép sử dụng “sự vướng víu” để phân tích thông tin lượng tử một cách không phá hủy.

2000

Vào tháng 3, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã công bố việc tạo ra một máy tính lượng tử 7 qubit chỉ trong một giọt chất lỏng.

2001

Trình diễn tính toán thuật toán Shor của các chuyên gia từ IBM và Đại học Stanford trên máy tính lượng tử 7 qubit.

2005

Viện Quang học Lượng tử và Thông tin Lượng tử tại Đại học Innsbruck là cơ quan đầu tiên tạo ra qubit (sự kết hợp của 8 qubit) bằng cách sử dụng bẫy ion.

2007

Công ty D-Wave của Canada đã trình diễn máy tính lượng tử 16 qubit đầu tiên có khả năng giải một loạt bài toán và câu đố, chẳng hạn như Sudoku.

Kể từ năm 2011, D-Wave đã chào bán máy tính lượng tử D-Wave One với giá 11 triệu USD với chipset 128 qubit chỉ thực hiện một nhiệm vụ - tối ưu rời rạc.