Điện toán lượng tử - cuộc đua marathon chứ không phải cuộc thi chạy nước rút!

Nếu có quan tâm đến thế giới công nghệ, thường xuyên “lang thang” trên nhiều diễn đàn công nghệ quốc tế lớn, có lẽ bạn đã từng gặp cụm từ Next Big Thing - ám chỉ đến công nghệ điện toán lượng tử (quantum computing). Vào tháng 1 năm nay, tờ báo nổi tiếng USA Today đã tuyên bố sự ra mắt của hệ thống máy tính lượng tử mới của IBM là một trong bốn điểm nhấn đáng chú ý nhất tại CES 2019 - sự kiện công nghệ thường niên lớn nhất thế giới tổ chức tại Las Vegas. Ngoài ra, Gartner cũng liệt kê điện toán lượng tử là một trong những xu hướng công nghệ hàng đầu cho năm 2019, bên cạnh các lĩnh vực khác dành được sự quan tâm rất lớn của toàn nhân loại như blockchain và thực tế ảo. Những ví dụ đơn giản trên cho thấy điện toán lượng tử sẽ là một trong những lĩnh vực có ảnh hưởng rất lớn đến tương lai của thế giới công nghệ.

• Điện toán lượng tử - tương lai của nhân loại

Là một người đã dành hơn 25 năm trong lĩnh vực vật lý nghiên cứu máy tính lượng tử - những cỗ máy lưu trữ và xử lý thông tin dựa trên các nguyên tử hoặc hạt nhân riêng lẻ, như photon - kiêm đồng sáng lập và CEO của IonQ, một công ty khởi nghiệp điện toán lượng tử, Giáo sư vật lý học Christopher Monroe có niềm tin mãnh liệt về việc điện toán lượng tử trên thực tế sẽ trở thành một công nghệ đột phá, có thể tạo ra những giải pháp ưu việt nhất nhằm giải quyết một số vấn đề cực kỳ khó khăn trong các lĩnh vực thiết yếu của đời sống như giao thông vận tải, bảo mật máy tính, y tế, và một số lĩnh vực khác mà chúng ta chưa thể biết trước - những vấn đề mà công nghệ ngày nay chưa thể chạm tới được.

Tuy nhiên, theo Giáo sư Monroe, chúng ta vẫn nên nắm bắt được một cách rõ ràng về những gì đang và sẽ xảy ra tiếp theo để từ đó đưa ra phương án quản lý, triển khai sao cho đạt hiệu quả cao nhất. Những khám phá quan trọng về điện toán lượng tử chắc sẽ đem lại tác động lớn lao đến nhiều khía cạnh của xã hội, nhưng tạm thời đó vẫn là vấn đề của tương lai. Còn ở thời điểm hiện tại, chúng ta sẽ vẫn chứng kiến sự phát triển nhanh chóng, các kỷ lục bị phá vỡ trong thế giới điện toán lượng tử. Những tiến bộ gia tăng này rất quan trọng đối với chính phủ - tổ chức có vai trò cực lớn trong việc khuyến khích các nghiên cứu trong lĩnh vực này, cũng như cho các ngành công nghiệp trong việc cần phải bắt đầu chú trọng đến cách thức sử dụng máy tính lượng tử khi mà công nghệ này ngày càng trở nên mạnh mẽ hơn. Tuy nhiên, quá nhiều sự cường điệu có nguy cơ dẫn thứ gọi là “vỡ mộng”, và từ đó có thể làm chậm tiến độ phát triển của điện toán lượng tử.

• Intel thử thách IBM và Google với siêu máy tính có nhiệt độ lạnh hơn vũ trụ 250 lần

Điều đầu tiên và cũng là cơ bản nhất mà bạn cần nắm được về máy tính lượng tử là việc chúng thực sự không phải là phiên bản nhanh hơn, tốt hơn, mạnh mẽ của những chiếc máy tính mà chúng ta có ở thời điểm hiện tại. Máy tính lượng tử không hướng đến mục tiêu cá thể hóa như vậy. Do đó, bạn hãy tạm gạt bỏ ý định sở hữu những chiếc máy tính xách tay hoặc điện thoại thông minh phiên bản lượng tử đi! Ngoài ra, máy tính lượng tử gần như chắc chắn sẽ không được sử dụng để vận hành các hệ thống mạng xã hội, chiếu những bộ phim Pixar, hay quản lý hệ thống đặt chỗ ở một sân bay, mà nó sẽ được sử dụng để giải quyết các vấn đề vĩ mô khác nhau theo những cách khác nhau.

Để làm rõ hơn về vấn đề trên, trước tiên cần nhắc lại một chút về công nghệ máy tính lượng tử. Công nghệ máy tính lượng tử được đề xuất phát triển lần đầu tiên vào năm 1982 bởi nhà vật lý học đã từng đoạt giải thưởng Nobel Richard Feynman. Richard Feynman lo lắng rằng máy tính thông thường không bao giờ đủ khả năng để giải quyết các vấn đề phức tạp trong cơ học lượng tử - một lý thuyết được sử dụng để dự đoán hành vi của các phần tử nhỏ bị cô lập như các hạt nguyên tử hoặc electron. Ngày nay, chúng ta sử dụng máy tính thông thường để mô phỏng mô hình lượng tử của các quá trình vật liệu và hóa học, nhưng những mô phỏng này thường bị đình trệ khi phải đối mặt với tất cả các sắp xếp electron có thể xuất hiện trong một phân tử nhỏ hoặc khối vật liệu.

• Microsoft phát triển ngôn ngữ lập trình mới cho máy tính lượng tử

Ý tưởng của Feynman rất đơn giản, đó là xây dựng một hệ thống máy tính lưu trữ thông tin về các hạt riêng lẻ - sau này được đặt tên là các qubits - tuân theo chính các quy tắc của cơ học lượng tử (thứ thường gây khó khăn cho máy tính thông thường).

Vậy thì có gì khác biệt ở đây? Các máy tính thông thường làm việc với những số liệu chắc chắn, số hóa mọi khía cạnh của vấn đề mà nó gặp phải thành những con số được xác định rõ. Trong khi đó, máy tính lượng tử sẽ thăm dò tất cả các khả năng, liên tục cập nhật xác suất của nhiều kịch bản khác nhau trong cùng một vấn đề. Nói cách khác, máy tính lượng tử có phần cứng khác hẳn với máy tính kỹ thuật số dựa trên tranzitor ở chỗ trong khi máy tính kỹ thuật số đòi hỏi dữ liệu phải được mã hóa thành các chữ số nhị phân (bit), mà mỗi số được gán cho một trong hai trạng thái nhất định (0 hoặc 1), thì điện toán lượng tử lại sử dụng các qubit (bit lượng tử) mà chúng có thể ở trong trạng thái chồng chập lượng tử. Bằng cách bổ sung thêm nhiều qubit hơn, máy tính lượng tự họ có thể xem xét đến nhiều kịch bản hơn theo cấp số nhân. Một máy tính lượng tử sẽ được lập trình để xem xét đến tất cả các khả năng này và đồng thời phân tích, chọn lọc, sau đó thu hẹp chúng xuống chỉ còn một vài kịch bản. Tiếp theo, khi dữ liệu đầu ra được phân tích, nó có thể cho chúng ta biết thông tin về tất cả các kịch bản đó. Điều quan trọng là một máy tính lượng tử sẽ không thể được đánh giá hoặc tiếp cận trong khi nó đang xem xét đến số lượng không đếm được các kịch bản có thể xảy ra. Vì lý do này, có thể so sánh vui rằng các qubit giống như những thượng nghị sĩ trước một cuộc bỏ phiếu gây tranh cãi: Họ không sẽ không tiết lộ vị trí của mình cho đến khi bị buộc phải làm điều đó.

• Ngay cả Bill Gates còn không hiểu thuật toán đằng sau tính toán lượng tử

Thế giới của chúng ta chứa đầy sự không chắc chắn và máy tính lượng tử sẽ rất hữu ích trong việc tìm ra lựa chọn tốt nhất trong một tập hợp các tùy chọn có thể có. Do vậy, một ngân hàng sẽ không thể sử dụng máy tính lượng tử để theo dõi việc kiểm tra tài khoản, bởi khi bạn nhìn vào số dư trong tài khoản của mình, bạn muốn có một câu trả lời duy nhất và chuẩn xác nhất. Thế nhưng ngân hàng lại có thể sử dụng máy tính lượng tử để ước tính số tiền bạn sẽ có trong tài khoản của mình sau một năm kể từ thời điểm hiện tại, dựa trên xác suất trong việc bạn sẽ được tăng lương hoặc bị sa thải, hay cũng có thể dựa trên xác suất rủi ro về sức khỏe dẫn đến những khoản chi cho y tế, hay sự bất thường của thị trường chứng khoán - những yếu tố có thể ảnh hưởng đến tình hình tài chính của bạn - rồi sau đó tính toán đến việc làm thế nào để các yếu tố này tương tác với nhau.

Thực tế mà nói thì chưa từng có ai tiến hành viết một chương trình thực hiện các dự báo tài chính trên một máy tính lượng tử. Lý do lớn nhất là cho đến nay, vẫn chưa có một máy tính lượng tử hoàn chỉnh nào để thử vận hành chúng. Nhưng sau rất nhiều nỗ lực, điều đó đã dần thay đổi. Trong vài năm qua, các nhóm doanh nghiệp, nhà nghiên cứu học thuật và cả chính phủ đã nỗ lực không ngừng và bước đầu chế tạo ra được những cỗ máy có thể cô lập và điều khiển các hạt lượng tử hoặc các loại qubit khác nhau, đủ tốt để xử lý những chương trình cơ bản.

Để cô lập và kiểm soát được các qubit yêu cầu hệ thống máy tính lượng tử phải có độ chính xác cao và chịu được các điều kiện khắc nghiệt. Một số máy tính lượng tử có thể đóng băng các mạch trạng thái rắn gần bằng không. Trong khi một số khác lại sử dụng điện trường để phóng các nguyên tử trong chân không, sau đó sử dụng tia laser để điều khiển chúng với độ chính xác tương đương 1/10.000 độ dày của một sợi tóc của con người. Các qubit nguyên tử này đặc biệt có thể mở rộng ra thành những hệ thống lớn hơn nhiều vì chúng đều bắt nguồn từ cùng một nguyên tố nguyên tử bị cô lập, có thể sao chép hoàn hảo. Và đồng thời chúng bị cô lập tốt đến mức không bao giờ có thể tiết lộ trạng thái qubit của mình cho đến khi bị ép buộc.

• Google công bố chip lượng tử Bristlecone 72-qubit mạnh nhất thời điểm hiện tại

Trong vòng 3-5 năm nữa, các máy tính lượng tử này này sẽ có thể thực hiện một số tính toán nhất định vốn không thể sử dụng được trên những hệ thống máy tính thông thường. Tuy nhiên cũng có thể phải mất đến 5-10 năm để bất kỳ hệ thống nào trong số này đạt được khả năng và độ chính xác cần thiết nhằm giải quyết các vấn đề một cách hữu ích cũng như đạt hiệu quả tối ưu nhất. Với con đường dài và đầy gian nan như vậy, điều đáng lo hơn cả đó là việc một số người đang theo học hay có quan tâm về điện toán lượng tử sẽ không thể giữ được sự đam mê của mình, cảm thấy thất vọng và dần mất đi sự hứng thú. Điều này có thể trở thành thảm họa đối với sự phát triển của điện toán lượng tử, và nhiệm vụ của chúng ta là không được để cho nó xảy ra. Các chính phủ cần tiếp tục duy trì sự hỗ trợ liên lục và mạnh mẽ hơn đối với những nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực này. Quốc hội Hoa Kỳ vừa mới thông qua Đạo luật Sáng kiến Lượng tử Quốc gia vào năm ngoái, đây là một điều rất đáng khích lệ. Bên cạnh đó, cộng đồng các doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực này cũng cần bắt đầu làm quen với thế hệ máy tính lượng tử hiện tại, để từ đó có thể phát triển bí quyết và hệ thống phần mềm mang lại lợi thế cho họ khi công nghệ điện toán lượng tử dần cải tiến, và quan trọng hơn là để không bị tụt lại phía sau.

• Bắt ánh sáng phải dừng lại, bước tiến quan trọng để chế tạo máy tính lượng tử

Trong tương lai, ngay cả khi không thể hiện thực hóa được giấc mơ sở hữu một chiếc máy tính lượng tử trên bàn làm việc, hoặc một chiếc smartphone lượng tử trong túi quần, bạn sẽ vẫn chắc chắn có thể thấy sự xuất hiện của những đơn thuốc hữu hiệu hơn, những vật liệu linh hoạt hơn, hay các tổ chức hoạt động hiệu quả hơn… Tóm lại, điện toán lượng tự sẽ có đóng góp rất lớn cho sự phát triển của nhân loại. Phát triển điện toán lượng tử là một cuộc đua marathon, ở đó, kẻ dẻo dai và biết cách phân bổ sức lực sao cho hợp lý nhất sẽ là kẻ chiến thắng, và sự nỗ lực này sẽ được trả giá xứng đáng.