Điện toán lượng tử là gì?

Cơ học lượng tử là lĩnh vực vật lý nghiên cứu hành vi của các hạt ở cấp độ vi mô. Ở cấp độ hạ nguyên tử, các phương trình mô tả cách các hạt hoạt động khác ra sao so với các phương trình mô tả thế giới vĩ mô xung quanh chúng ta. Máy tính lượng tử tận dụng những hành vi này để thực hiện các phép tính theo một cách hoàn toàn mới.

Máy tính lượng tử hoạt động bằng cách sử dụng các nguyên tắc lượng tử. Các nguyên tắc lượng tử đòi hỏi phải có một từ điển thuật ngữ mới để hiểu đầy đủ về chúng, bao gồm các thuật ngữ về sự chồng chập, sự liên đới và sự mất liên kết. Hãy cùng tìm hiểu những nguyên tắc này dưới đây.

Chồng chập

Giống như sóng trong vật lý cổ điển, chồng chập có nghĩa là bạn có thể kết hợp hai hoặc nhiều trạng thái lượng tử và kết quả sẽ là một trạng thái lượng tử hợp lệ khác. Ngược lại, bạn cũng có thể trình bày mọi trạng thái lượng tử dưới dạng tổng của hai hoặc nhiều trạng thái riêng biệt khác. Sự chồng chập này của các qubit mang lại cho máy tính lượng tử tính song song vốn có của chúng, cho phép chúng đồng thời xử lý hàng triệu thao tác.

Liên đới

Liên đới lượng tử xảy ra khi hai hệ thống liên kết chặt chẽ đến mức thông tin của một hệ thống có thể ngay lập tức cho bạn biết về thông tin của hệ thống kia, bất kể chúng cách bao xa. Các bộ xử lý lượng tử có thể đưa ra kết luận về một hạt bằng cách đo một hạt khác. Ví dụ: chúng có thể xác định rằng nếu một qubit quay lên trên thì qubit kia sẽ luôn quay xuống và ngược lại. Liên đới lượng tử cho phép các máy tính lượng tử giải quyết các vấn đề phức tạp nhanh hơn.

Khi một trạng thái lượng tử được đo, hàm sóng sẽ sụp đổ và bạn có thể đo trạng thái dưới dạng số không hoặc số một. Ở trạng thái đã biết hoặc tất định này, qubit hoạt động như một bit truyền thống. Liên đới là khả năng các qubit tạo mối tương quan giữa trạng thái của chúng với các qubit khác.

Mất liên kết

Mất liên kết là sự mất đi trạng thái lượng tử trong một qubit. Các yếu tố môi trường, chẳng hạn như bức xạ, có thể khiến trạng thái lượng tử của các qubit bị sụp đổ. Một thách thức kỹ thuật lớn trong việc xây dựng một máy tính lượng tử là thiết kế các tính năng khác nhau để cố gắng trì hoãn sự mất liên kết của trạng thái, chẳng hạn như xây dựng các cấu trúc đặc biệt che chắn các qubit khỏi các trường bên ngoài.

Không ai có thể chỉ ra cách tốt nhất để xây dựng một máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi và có nhiều công ty cũng như nhóm nghiên cứu đang nghiên cứu các loại qubit khác nhau. Dưới dây, chúng tôi đưa ra một ví dụ ngắn gọn về một số công nghệ qubit.

Bộ xử lý bẫy ion dựa trên cổng

Máy tính lượng tử dựa trên cổng là một thiết bị lấy dữ liệu đầu vào và chuyển đổi nó bằng một thao tác đơn nhất được xác định trước. Thao tác này thường được biểu diễn bằng một mạch lượng tử và tương tự như các thao tác cổng trong thiết bị điện tử truyền thống. Tuy nhiên, cổng lượng tử hoàn toàn khác với cổng điện tử.

Các máy tính lượng tử bẫy ion triển khai qubit bằng cách sử dụng trạng thái điện tử của các nguyên tử tích điện gọi là các ion. Các ion bị hạn chế và lơ lửng phía trên bẫy vi gia công bằng cách sử dụng điện trường. Các hệ thống dựa trên bẫy ion sử dụng các cổng lượng tử dùng tia laser để điều khiển trạng thái điện tử của ion.  Các qubit bẫy ion sử dụng các nguyên tử đến từ tự nhiên, thay vì tạo ra các qubit tổng hợp.

Bộ xử lý siêu dẫn dựa trên cổng

Siêu dẫn là một tập hợp các đặc tính vật lý mà bạn có thể quan sát thấy trong một số vật liệu nhất định, như thủy ngân và heli ở nhiệt độ rất thấp. Ở những vật liệu này, bạn có thể quan sát nhiệt độ tới hạn đặc trưng mà dưới mức đó điện trở sẽ bằng không và trường từ thông bị loại bỏ. Dòng điện qua một vòng dây siêu dẫn có thể tồn tại vô thời hạn mà không cần nguồn điện.

Điện toán lượng tử siêu dẫn là hoạt động của máy tính lượng tử trong các mạch điện tử siêu dẫn. Qubit siêu dẫn được tạo ra bằng các mạch điện siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ đông lạnh.

Bộ xử lý quang tử

Bộ xử lý quang lượng tử là một thiết bị điều khiển ánh sáng để tính toán. Máy tính quang lượng tử tận dụng nguồn ánh sáng lượng tử phát ra xung ánh sáng ở trạng thái ép cùng các đơn vị tương đương qubit tương ứng với các chế độ của một toán tử liên tục, chẳng hạn như vị trí hoặc động lượng.

Bộ xử lý nguyên tử trung hòa

Công nghệ qubit nguyên tử trung hòa tương tự như công nghệ bẫy ion. Tuy nhiên, công nghệ này sử dụng ánh sáng thay vì lực điện từ để bẫy qubit và giữ nó ở đúng vị trí. Các nguyên tử không được tích điện và các mạch có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng

Bộ xử lý nguyên tử Rydberg

Nguyên tử Rydberg là một nguyên tử bị kích thích bởi một hoặc nhiều electron ở xa hạt nhân hơn, theo trung bình. Nguyên tử Rydberg có một số đặc tính đặc biệt bao gồm phản ứng thái quá với điện trường và từ trường, và có thời gian tồn tại cao. Khi được sử dụng làm qubit, chúng tạo ra các tương tác nguyên tử mạnh mẽ và có thể kiểm soát được mà bạn có thể điều chỉnh bằng cách chọn các trạng thái khác nhau.

Máy ủ lượng tử

Ủ lượng tử là việc thông qua một quá trình vật lý để đặt các qubit của hệ thống lượng tử ở mức năng lượng tối thiểu tuyệt đối. Sau đó, phần cứng sẽ nhẹ nhàng thay đổi cấu hình của hệ thống, làm cho biểu đồ năng lượng của nó thể hiện ra vấn đề cần được giải quyết. Ưu điểm của máy ủ lượng tử là số lượng qubit có thể lớn hơn nhiều so với số lượng có sẵn trong hệ thống dựa trên cổng. Tuy nhiên, việc sử dụng các máy ủ chỉ giới hạn trong các trường hợp cụ thể.

Nếu bạn muốn sử dụng thử điện toán lượng tử, bạn có thể bắt đầu với trình mô phỏng phần cứng lượng tử trên máy cục bộ của bạn. Trình mô phỏng là phần mềm thông thường mô phỏng hành vi lượng tử trên máy tính truyền thống. Chúng có thể dự báo được và cho phép bạn xem các trạng thái lượng tử. Chúng rất hữu ích nếu bạn muốn kiểm thử các thuật toán của mình trước khi đầu tư thời gian vào phần cứng lượng tử. Tuy nhiên, chúng không thể tái tạo hành vi lượng tử thực tế.

Bạn cũng có thể sử dụng dịch vụ điện toán lượng tử đám mây để viết mã trên một máy tính lượng tử thực sự mà không cần đầu tư vào phần cứng đắt tiền.