Khi nhắc đến công nghệ máy tính điện tử, ắt hẳn người dùng sẽ liên tưởng đến một hệ thống máy tính cao cấp, sử dụng để hỗ trợ các tính toán lượng tử trong nghiên cứu khoa học. Riêng chữ “lượng tử” gợi cho bạn một vài ý nghĩ như cơ học điện tử, các dấu chấm điện tử sử dụng trong ngành y khoa,… Máy tính lượng tử có thể là từ thông dụng nhất khi nói về một hệ thống sở hữu những công nghệ ấn tượng, thực thi các nhiệm vụ cực kỳ phức tạp,….
Máy tính lượng tử thực hiện hoạt động với qubit (quantum bit, hay còn gọi là bit lượng tử) thay vì các bit nhị phân như máy tính vốn dựa trên các bóng bán dẫn. Qubit mở ra tiềm năng cho máy tính lượng tử thông qua các thuật toán phức tạp và thực hiện các phép tính nhanh hơn nhiều so với các hệ thống hiện có. Để có thể tiếp cận với một máy tính điện tử như một hệ thống máy tính sử dụng bóng bán dẫn hiện nay, có thể chúng ta phải chờ mất cả hơn một thập kỷ.
Các bit lượng tử được xem là trái tim của một hệ thống máy tính lượng tử, điều này khiến người dùng hơi chút khó hiểu. Để giải quyết, chúng ta hãy bắt đầu với thuật ngữ bit gặp thường xuyên hiện nay. Chúng là tập hợp các mã nhị phân 1 hoặc 0 và được sử dụng để thực hiện tính toán và thể hiện thông tin trong máy tính. Trong khi đó, Qubit không phải là nhị phân, nhờ nguyên tắc của sự chồng chất lượng tử mà các bit lượng tử có thể là 0 và 1 cùng một lúc.
Thông tin máy tính lượng tử cũng có thể được biểu diễn như là sự chồng chất lượng tử đồng thời của cả hai mã 0 hoặc 1 (bit lượng tử, hay “qubit”). Trong thời gian thực hiện chồng chất, các qubit tương tác và tính toán với các qubit khác thông qua các lượng tử thành phần xung quan. Cuối cùng, mỗi qubit sẽ thực hiện phân liệt lượng tử và chọn các mã 0 hoặc 1 như là hình thức làm việc cổ điển của nó.
Trạng thái chồng chất lượng tử là một yếu tốt lượng tử sẽ chỉ trả về một kết quả trong một tiêu chuẩn khi được đo lường. Sau đây là một nguyên tắc về “vướng víu lượng tử”, đó được hiểu như là một quá trình tương đối phức tạp, nói lên sự tương tác của các điện tử, phân tử, các photon và các hạt khác: “Vướng víu điện tử được xem như là một sự tương quan của các trạng thái qubit khác nhau với nhau. Khi chúng ta thực hiện các hoạt động và các phép đo trên một qubit và vướng mắc với qubit khác, chúng sẽ tự động tìm hiểu và thay đổi trạng thái của các đối tác. Điều này sẽ cung cấp một loại giao thức song song, gần như cho phép một hệ thống lượng tử có thể thực hiện một số tính toán nhanh hơn so với một hệ thống máy tính cổ điển”.
Thuật toán được sử dụng để chạy các qubit giống như thuật toán mà Simon đưa ra, được cho là nhanh hơn bất cứ điều gì so với một máy tính dựa trên bóng bán dẫn để thực hiện thuật toán. Mặc dù Wikipedia cho rằng, một máy tính lượng tử sử dụng thuật toán lượng tử có thể thực hiện những công việc hiện tại của máy tính, nhưng về mặt lý thuyết thì sẽ không bao giờ có khả năng như vậy.
Phần khó khăn thực sự của một máy tính lượng tử đó là làm thế nào để tận dụng lợi thế của tất cả những tiềm năng mà qubit mang lại. Một dự án gần đây của Đại học California, Santa Barbara đã tạo ra một hệ thống bộ vi xử lý thô sơ bằng cách sử dụng các quabit, nhưng điều này là khác xa so với một chip của Intel hay AMD.
Theo phân tích của Ars Technica cho biết: “Các máy tính lượng tử là khá đơn giản, hai qubit đăng ký thực hiện từ SQUID (được hiểu như là một thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn), hai SQUID có thể bổ sung cho các hoạt động không đăng ký trước (chẳng hạn như hoạt động đọc/xuất) và kết hợp với hiện tượng cộng hưởng sóng nhằm tạo ra sản phẩm như là một bộ nhớ. Tuy nhiên, phần quan trọng nhất đó là băng thông bus cho các cặp qubit giao tiếp với nhau, thực hiện các hoạt động logic khác nhau. Các bộ cộng hưởng có hình học cố định và chỉ có thể cộng hưởng ở một tần số sóng. Vì vậy, bộ nhớ có thể được điều dọc hoặc bằng văn bản thông qua các thay đổi từ trường để nó giống như là một hiện tượng cộng hưởng. Do đó có thể hiểu rằng hoạt động giữa các qubit được thực hiện bằng cách áp dụng các công nghệ vi sóng dựa trên công nghệ bus trang bị sẵn bên trong”.
Một máy tính lượng tử qubit có khả năng chỉ một trạng thái làm việc trong 400 nano giây. Đó là 400 giây hoạt động không chính xác, đủ để thay thế cho các máy tính như hiện đang sử dụng. Mặc dù có nhiều cách để kéo dài thời gian hệ thống máy tính hiện tại, nhưng dựa vào một công nghệ lượng tử có sẵn, đó sẽ là một đại diện ưu tú trong tương lai.
Hiện tại, dự án Santa Barbara đang nghiên cứu và phát triển công nghệ máy tính lượng tử trong 11 tháng qua. IBM cũng đã bắt tay vào một dự án kéo dài 5 năm cho việc cung cấp một hệ thống máy tính lượng điện tử. Dù bạn sẽ phải chờ mất cả 10 năm nữa mới có kết quả nhưng sao đi chăng nữa, các nỗ của IBM và Santa Barbara đều rất đáng hoan nghênh.
Bạch Đằng
