Cuộc Cách Mạng Máy Tính Lượng Tử: Tương Lai Đang Đến

Chúng ta đều biết rằng máy tính số đã thay đổi hầu hết mọi khía cạnh của cuộc sống. Tuy nhiên, sự xuất hiện của máy tính lượng tử có thể còn mang tính lịch sử hơn thế nữa. Chúng ta đang ở giai đoạn đầu của cuộc cách mạng tiếp theo, nói về một thế hệ máy tính mới: máy tính tối thượng, một máy tính tính toán trên các nguyên tử, những thành phần cơ bản của vật chất. Câu hỏi đặt ra là: Ai đang tham gia vào cuộc đua hoàn thiện máy tính lượng tử? Và câu trả lời là: tất cả mọi người. Tất cả các ông lớn đều tham gia vào cuộc đua này, vì nếu không, Thung lũng Silicon có thể trở thành khu vực rỉ sét tiếp theo.

Bất kỳ ai quan tâm đến an ninh cũng đều quan tâm đến máy tính lượng tử. Chúng có thể phá hầu hết mọi mã dựa trên công nghệ số. Đó là lý do tại sao FBI, CIA và tất cả các chính phủ quốc gia đều theo dõi rất sát sao. Máy tính lượng tử sẽ thay đổi mọi thứ, từ kinh tế, cách chúng ta giải quyết vấn đề, đến cách chúng ta tương tác với vũ trụ. Bạn hãy nghĩ đến điều gì, máy tính lượng tử sẽ có mặt ở đó. Tôi là Dr. Michio Kaku, giáo sư vật lý lý thuyết tại Đại học Thành phố New York, và là tác giả của "Quantum Supremacy," về sự trỗi dậy của máy tính lượng tử. Bạn thấy đấy, máy tính đã trải qua ba giai đoạn cơ bản: Giai đoạn đầu tiên là máy tính analog. Khoảng 2.000 năm trước, có một vụ đắm tàu, và trong con tàu chìm đó có một thiết bị. Khi bạn quét sạch bụi bẩn và mảnh vụn, bạn bắt đầu nhận ra rằng đó là một cỗ máy, một cỗ máy có độ phức tạp đáng kinh ngạc. Đó chính là máy tính analog đầu tiên trên thế giới, được thiết kế để vẽ bản đồ chuyển động của Mặt Trăng, Mặt Trời và các hành tinh để mô phỏng vũ trụ.

Khi con người trở nên thịnh vượng hơn, chúng ta phải đếm các vật thể - đếm số lượng bò, đếm lợi nhuận. Máy tính analog có thể dựa trên que, xương, bất cứ thứ gì có thể dùng để đếm. Điều này tiếp diễn trong hàng ngàn năm cho đến khi chúng ta đạt đến công trình của Charles Babbage. Ông tạo ra máy tính analog tối thượng với hàng trăm bánh răng, đòn bẩy và ròng rọc. Bằng cách quay tay quay, bạn có thể tính toán kinh độ, vĩ độ, tính lãi suất. Đó là một công cụ rất có giá trị cho ngành ngân hàng và thương mại. Sau đó, Chiến tranh Thế giới II bùng nổ. Máy của Babbage quá sơ khai để phá mã của Đức, nên nhiệm vụ được giao cho các nhà toán học như Alan Turing. Alan Turing là người đã mã hóa nhiều luật tính toán thành cái gọi là máy Turing, và tất nhiên, nó là kỹ thuật số. Cuộc cách mạng kỹ thuật số dựa trên các bóng bán dẫn, hoạt động dựa trên các bit 0 và 1 với tốc độ của điện. Mọi máy tính kỹ thuật số đều là một máy Turing. Bước tiếp theo sau máy tính kỹ thuật số là kỷ nguyên lượng tử. Richard Feynman là một trong những người sáng lập cơ học lượng tử, nhưng cũng là một nhà tiên tri. Ông tự đặt câu hỏi: Làm thế nào để làm cho một bóng bán dẫn nhỏ nhất có thể? Ông nhận ra rằng bóng bán dẫn tối thượng là một nguyên tử, một nguyên tử có thể kiểm soát dòng điện, không chỉ bật hoặc tắt mà là mọi trạng thái giữa hai điều đó. Chúng ta phải tiến tới máy tính lượng tử, máy tính tính toán trên các nguyên tử thay vì bóng bán dẫn. Bóng bán dẫn dựa trên các bit 0 và 1, nhưng thực tế không phải vậy. Thực tế dựa trên các điện tử và hạt, và các hạt này hoạt động như sóng. Vì vậy, bạn cần có một bộ toán học mới để thảo luận về các sóng tạo nên một phân tử, và đó là nơi máy tính lượng tử xuất hiện. Máy tính lượng tử tính toán trên các điện tử, và tại sao chúng có sức mạnh tính toán lớn như vậy? Bởi vì chúng có thể ở hai nơi cùng một lúc - đó là điều mang lại sức mạnh cho máy tính lượng tử. Chúng tính toán không chỉ trên một vũ trụ mà trên một số lượng vô hạn các vũ trụ song song.

Sức Mạnh Kỳ Diệu của Máy Tính Lượng Tử. Ở mức độ cơ bản nhất, cơ học lượng tử có thể được minh họa bằng con mèo của Schrödinger. Hãy tưởng tượng một chiếc hộp, trong đó có một con mèo. Câu hỏi đặt ra là: con mèo còn sống hay đã chết? Cho đến khi bạn mở hộp ra, bạn không biết được. Con mèo vừa sống vừa chết đồng thời, tồn tại trong trạng thái chồng chất. Nói cách khác, vũ trụ đã chia thành hai phần: trong một phần, con mèo còn sống, trong phần kia, con mèo đã chết. Đây là cơ sở của lý thuyết lượng tử: cho đến khi bạn thực hiện phép đo, con mèo có thể tồn tại trong cả hai trạng thái đồng thời, thực tế là trong bất kỳ số lượng trạng thái nào. Máy tính lượng tử hoạt động dựa trên nguyên lý này, tính toán trong các vũ trụ song song, khiến chúng mạnh mẽ vô cùng. Vậy, máy tính lượng tử nhanh hơn máy tính kỹ thuật số bao nhiêu? Về nguyên tắc, khi nói về máy tính kỹ thuật số, chúng ta đo lường sức mạnh của chúng bằng các bit. Một bit có thể là spin lên hoặc spin xuống, tương đương với số 0 và 1. Đối với một máy tính kỹ thuật số lớn, chúng ta đang nói về hàng tỷ bit được mô phỏng bằng các transistor. Tuy nhiên, máy tính lượng tử không chỉ nói về spin lên hoặc xuống, mà còn bao gồm mọi trạng thái giữa chúng - đó gọi là qubit. Một qubit đại diện cho tất cả các khả năng của một vật thể quay giữa lên và xuống. Hàng ngàn qubit có thể được mô phỏng với thế hệ máy tính lượng tử mới nhất. Chúng ta hy vọng đạt tới con số một triệu qubit trong tương lai, vượt qua sức mạnh của các máy tính kỹ thuật số thông thường. Vấn đề lớn nhất mà máy tính lượng tử phải đối mặt là 'khử nhiễu.' Mọi thứ dựa trên các hạt như electron, và các electron có sóng liên kết với chúng. Khi các sóng này rung đồng điệu, nó gọi là 'hợp sóng,' và khi đó bạn có thể thực hiện các phép tính theo cơ học lượng tử. Nhưng nếu bạn mất sự hợp sóng, thì mọi thứ rung ở tần số khác nhau, gây ra tiếng ồn. Bạn phải giảm nhiệt độ xuống gần không tuyệt đối để mọi thứ rung chậm đồng điệu - điều này rất khó khăn. Tự nhiên đã giải quyết vấn đề này: đó là cơ sở của mọi sự sống trên Trái Đất. Quang hợp, chẳng hạn, là một quá trình cơ học lượng tử. Tự nhiên có thể tạo ra sự hợp sóng ở nhiệt độ phòng. Thật đáng kinh ngạc. Mặc dù có nhiều trở ngại ảnh hưởng đến sự phát triển của máy tính lượng tử, nhưng những lợi ích mà chúng mang lại có thể vượt xa mọi thách thức. Chúng ta đang nói về việc mở cửa tràn đầy tiềm năng. Hãy nhìn vào nguồn cung cấp lương thực. Cuộc cách mạng xanh cho phép chúng ta nuôi sống dân số thế giới đang dần đến hồi kết. Chúng ta đang cố gắng sử dụng máy tính lượng tử để khám phá bí mật làm phân bón từ nitơ. Nhìn vào năng lượng, máy tính lượng tử có thể tạo ra năng lượng tổng hợp bằng cách ổn định hydrogen siêu nóng bên trong lò phản ứng nhiệt hạch. Và hãy xem xét y học. Cuộc sống dựa trên các phân tử, những phân tử có thể gây ra bệnh Alzheimer, Parkinson, ung thư. Những bệnh này vượt ngoài tầm với của các máy tính kỹ thuật số. Nhưng đây là điều mà máy tính lượng tử có thể làm. Chúng ta sẽ có thể mô phỏng bệnh tật ở mức phân tử và hy vọng chữa trị những căn bệnh không thể chữa được bằng máy tính lượng tử, thay đổi hoàn toàn lĩnh vực y học. Hy vọng cá nhân của tôi đối với máy tính lượng tử là chúng ta sẽ có thể tạo ra một lý thuyết về toàn bộ vũ trụ, lý thuyết mà Einstein đã không thể hoàn thiện, giải thích về các lỗ đen, siêu tân tinh và sự tiến hóa của thiên hà. Các phương trình quá phức tạp đến nỗi chưa ai có thể giải quyết chúng. Có lẽ, chúng sẽ được giải quyết trong bộ nhớ của một máy tính lượng tử. (Theo Michio Kaku)