Xu hướng và thách thức trong điện toán lượng tử

Tính toán lượng tử là lĩnh vực nghiên cứu tập trung vào phát triển công nghệ máy tính dựa trên các nguyên tắc của lý thuyết lượng tử. Hàng chục tỷ vốn công và tư nhân đang được đầu tư vào công nghệ Lượng tử. Các quốc gia trên thế giới đã nhận ra rằng công nghệ lượng tử có thể là yếu tố gây rối lớn cho các doanh nghiệp hiện tại [1].

So sánh máy tính cổ điển và máy tính lượng tử

điện toán cổ điển dựa, ở cấp độ cuối cùng, trên các nguyên tắc được biểu diễn bởi đại số Boolean. Dữ liệu phải được xử lý ở trạng thái nhị phân độc quyền tại bất kỳ thời điểm nào hoặc cái mà chúng tôi gọi là bit. Mặc dù thời gian mà mỗi bóng bán dẫn hoặc tụ điện cần ở 0 hoặc 1 trước khi chuyển trạng thái hiện có thể đo được bằng phần tỷ giây, nhưng vẫn có giới hạn về tốc độ chuyển đổi trạng thái của các thiết bị này.

Khi chúng ta tiến tới các mạch nhỏ hơn và nhanh hơn, chúng ta bắt đầu đạt đến các giới hạn vật lý của vật liệu và ngưỡng áp dụng các định luật vật lý cổ điển. Ngoài ra, thế giới lượng tử tiếp quản, trong máy tính lượng tử, một số hạt nguyên tố như electron hoặc photon có thể được sử dụng với phí or sự phân cực đóng vai trò đại diện cho 0 và/hoặc 1. Mỗi hạt này được gọi là bit lượng tử, hoặc qubit, bản chất và hành vi của các hạt này tạo thành cơ sở của điện toán lượng tử [2]. Máy tính cổ điển sử dụng bóng bán dẫn làm khối logic xây dựng vật lý, trong khi máy tính lượng tử có thể sử dụng các ion bị bẫy, vòng siêu dẫn, chấm lượng tử hoặc chỗ trống trong kim cương [1].

Những thách thức trong điện toán lượng tử

Xây dựng phần cứng lượng tử ổn định và có thể mở rộng: Một trong những thách thức chính trong điện toán lượng tử là xây dựng một thiết bị có thể xử lý một số lượng lớn qubit trong khi vẫn duy trì sự ổn định và nhất quán.
Xử lý nhiễu và lỗi trong các hệ thống lượng tử: Các hệ thống lượng tử rất nhạy cảm với nhiễu và lỗi, có thể làm gián đoạn quá trình tính toán và dẫn đến kết quả không chính xác.
Phát triển các thuật toán hiệu quả cho tính toán lượng tử: Khi các khả năng của máy tính lượng tử ngày càng mở rộng, thì nhu cầu về các thuật toán mới có thể tận dụng các đặc tính độc đáo của các hệ lượng tử cũng tăng theo.
Thực hiện các phương pháp sửa lỗi và giảm thiểu lỗi: Sửa lỗi và giảm thiểu lỗi là rất quan trọng để xây dựng một máy tính lượng tử hữu ích, nhưng các phương pháp được sử dụng để thực hiện điều này vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu.
Thiết kế và triển khai mạng và truyền thông lượng tử: Các công nghệ mạng và truyền thông lượng tử, chẳng hạn như phân phối khóa lượng tử và dịch chuyển tức thời lượng tử, vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu và còn nhiều thách thức cần vượt qua trước khi chúng có thể được triển khai trên quy mô lớn.
Giải quyết tình trạng thiếu chuyên gia lành nghề: Lĩnh vực điện toán lượng tử tương đối mới và thiếu chuyên gia có kỹ năng và kiến thức cần thiết để làm việc với các thiết bị và phần mềm lượng tử.
Giải quyết vấn đề thiếu tích hợp công nghệ lượng tử với công nghệ cổ điển: Việc tích hợp liền mạch công nghệ lượng tử với công nghệ cổ điển hiện có vẫn là một thách thức, gây khó khăn cho việc sử dụng điện toán lượng tử cho các ứng dụng thực tế.
Phát triển phần mềm và ngôn ngữ lập trình mạnh mẽ cho điện toán lượng tử: Hiện tại có rất ít phần mềm và ngôn ngữ lập trình có thể được sử dụng cho điện toán lượng tử và những ngôn ngữ này vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu.
Giải quyết vấn đề thiếu tiêu chuẩn hóa: Hiện tại thiếu tiêu chuẩn hóa trong lĩnh vực điện toán lượng tử, điều này gây khó khăn cho việc so sánh các thiết bị và công nghệ khác nhau.
Giải quyết hiệu quả chi phí của điện toán lượng tử: Xây dựng và vận hành một máy tính lượng tử vẫn còn rất tốn kém và đây là rào cản lớn đối với việc áp dụng rộng rãi điện toán lượng tử [3].

Xu hướng trong điện toán lượng tử

· Tăng số lượng qubit và thời gian kết hợp trong các thiết bị lượng tử: Số lượng qubit (bit lượng tử) trong máy tính lượng tử là một thước đo quan trọng về sức mạnh của nó. Khi số lượng qubit tăng lên, sức mạnh tính toán của thiết bị cũng tăng theo. Thời gian kết hợp đề cập đến khoảng thời gian các qubit có thể duy trì trạng thái lượng tử của chúng trước khi tách rời và thời gian kết hợp lâu hơn cho phép thực hiện các phép tính phức tạp hơn.

· Phát triển các thuật toán lượng tử và kỹ thuật tối ưu hóa mới: Khi các khả năng của máy tính lượng tử ngày càng mở rộng, thì việc phát triển các thuật toán và kỹ thuật mới để tận dụng các đặc tính độc đáo của điện toán lượng tử cũng vậy. Chúng bao gồm học máy lượng tử, sửa lỗi lượng tử và thuật toán tối ưu hóa lượng tử.

· Sự xuất hiện của phần cứng và thuật toán cổ điển lấy cảm hứng từ lượng tử: Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu các thuộc tính của hệ thống lượng tử để phát triển các thuật toán và phần cứng cổ điển mới bắt chước một số ưu điểm của điện toán lượng tử.

· Ngành công nghiệp và chính phủ ngày càng quan tâm và đầu tư vào điện toán lượng tử: Khi các ứng dụng tiềm năng của điện toán lượng tử trở nên rõ ràng hơn, thì ngành công nghiệp và chính phủ cũng ngày càng quan tâm và đầu tư vào lĩnh vực này.

· Tăng cường cộng tác và chia sẻ tài nguyên giữa các tổ chức và công ty nghiên cứu lượng tử: Khi điện toán lượng tử trở nên quan trọng hơn, thì số lượng cộng tác và chia sẻ tài nguyên giữa các tổ chức và công ty nghiên cứu lượng tử ngày càng tăng.

· Việc sử dụng máy học lượng tử và trí tuệ nhân tạo lượng tử: Các nhà nghiên cứu đang khám phá việc sử dụng máy tính lượng tử để phát triển các thuật toán máy học và trí tuệ nhân tạo mới có thể tận dụng các đặc tính độc đáo của hệ thống lượng tử.

· Sự gia tăng của các dịch vụ đám mây lượng tử: Với số lượng qubit và thời gian kết hợp ngày càng tăng, nhiều công ty hiện đang cung cấp dịch vụ đám mây lượng tử cho người dùng, cho phép họ tiếp cận sức mạnh của điện toán lượng tử mà không cần xây dựng máy tính lượng tử của riêng mình.

· Tiến bộ trong việc sửa lỗi lượng tử: Để máy tính lượng tử trở nên hữu ích trong thực tế, cần phải có các kỹ thuật sửa lỗi lượng tử để giảm thiểu các lỗi xảy ra trong quá trình tính toán. Nhiều kỹ thuật mới đang được phát triển để đạt được mục tiêu này.

Tương lai?

Trong tương lai gần, nhiều khả năng điện toán lượng tử sẽ tiếp tục được phát triển cho các ứng dụng cụ thể như tối ưu hóa, học máy và mật mã. Các nhà nghiên cứu cũng đang nghiên cứu phát triển các qubit ổn định và đáng tin cậy hơn, vốn là những khối xây dựng của máy tính lượng tử. Khi công nghệ này phát triển và trở nên dễ tiếp cận hơn, nó sẽ được sử dụng ngày càng nhiều trong các ngành như tài chính và chăm sóc sức khỏe, nơi nó có thể được sử dụng để phân tích lượng lớn dữ liệu và đưa ra dự đoán chính xác hơn.

Về lâu dài, #Tính toán lượng tử có khả năng cách mạng hóa nhiều ngành công nghiệp và thay đổi cách chúng ta sống và làm việc. Tuy nhiên, đây vẫn là một công nghệ tương đối mới và cần nhiều nghiên cứu và phát triển trước khi có thể thực hiện đầy đủ [3].

Ahmed Banaha, Tác giả các cuốn sách:

Internet vạn vật an toàn và thông minh (IoT) sử dụng Blockchain và AI

Ứng dụng và Công nghệ Blockchain

Tính toán lượng tử

dự án

1. https://www.linkedin.com/pulse/quantum-technology-ecosystem-explained-steve-blank/?

2. https://www.bbvaopenmind.com/en/technology/digital-world/quantum-computing-and-ai/

3. #chatgpt