Máy tính lượng tử là gì

Điện toán lượng tử là một công nghệ đang phát triển nhanh chóng, khai thác các quy luật của cơ học lượng tử để giải quyết các vấn đề quá phức tạp đối với máy tính cổ điển.

Ngày nay, IBM Quantum tạo ra phần cứng lượng tử – một công cụ mà các nhà khoa học chỉ mới bắt đầu hình dung cách đây ba thập kỷ – có sẵn cho hàng nghìn nhà phát triển. Các kỹ sư của IBM cung cấp các bộ xử lý lượng tử siêu dẫn ngày càng mạnh mẽ hơn theo chu kỳ đều đặn, hướng tới tốc độ và năng lực tính toán lượng tử cần thiết để thay đổi thế giới.

Những cỗ máy này rất khác so với những chiếc máy tính cổ điển đã tồn tại hơn nửa thế kỷ. Đây là phần sơ lược về công nghệ biến đổi này.

Tại sao cần các tính toán lượng tử

Đối với một số vấn đề, siêu máy tính không phải là siêu tốt nhất.

Khi các nhà khoa học và kỹ sư gặp phải những vấn đề khó khăn, họ chuyển sang siêu máy tính. Đây là những máy tính cổ điển rất lớn, thường có hàng nghìn lõi CPU và GPU cổ điển. Tuy nhiên, ngay cả các siêu máy tính cũng phải vật lộn để giải quyết một số loại vấn đề.

Nếu một siêu máy tính gặp khó khăn, đó có thể là do cỗ máy cổ điển lớn được yêu cầu giải quyết một vấn đề với mức độ phức tạp cao. Khi máy tính cổ điển bị lỗi, thường là do sự phức tạp

Các bài toán phức tạp là các bài toán có rất nhiều biến tương tác theo những cách phức tạp. Mô hình hóa hoạt động của các nguyên tử riêng lẻ trong phân tử là một vấn đề phức tạp, vì tất cả các electron khác nhau tương tác với nhau. Việc sắp xếp các tuyến đường lý tưởng cho vài trăm tàu chở dầu trong mạng lưới vận tải toàn cầu cũng rất phức tạp.

Ở đâu thì các máy tính lượng tử được sử dụng?

  1. Mercedes-Benz, hợp tác với IBM Quantum, đang khám phá tính toán lượng tử để tạo ra tương lai của xe điện.
  2. ExxonMobil hợp tác với IBM Quantum đang khám phá các thuật toán lượng tử để giải quyết sự phức tạp của việc vận chuyển nhiên liệu đốt sạch nhất thế giới.
  3. Dữ liệu từ cỗ máy lớn nhất thế giới có thể tiết lộ những bí mật sâu kín nhất của vũ trụ. Điện toán lượng tử có thể giúp tìm ra chúng.

Tại sao máy tính lượng tử lại nhanh hơn

Hãy xem ví dụ cho thấy máy tính lượng tử có thể thành công như thế nào khi máy tính cổ điển thất bại:

Một siêu máy tính có thể thực hiện tốt các nhiệm vụ khó khăn như phân loại thông qua cơ sở dữ liệu lớn về trình tự protein. Nhưng nó sẽ khó khăn để xem các mô hình tinh tế trong dữ liệu đó xác định cách các protein đó hoạt động.

Protein là những chuỗi axit amin dài trở thành những cỗ máy sinh học hữu ích khi chúng gấp lại thành những hình dạng phức tạp. Tìm ra cách protein sẽ gấp lại là một vấn đề có ý nghĩa quan trọng đối với sinh học và y học.

Một siêu máy tính cổ điển có thể cố gắng gấp một protein bằng lực thông thường, sử dụng nhiều bộ xử lý của nó để kiểm tra mọi cách có thể để bẻ cong chuỗi hóa học trước khi đưa ra câu trả lời. Nhưng khi các chuỗi protein dài hơn và phức tạp hơn, các siêu máy tính sẽ ngừng hoạt động. Về mặt lý thuyết, một chuỗi gồm 100 axit amin có thể gấp lại theo bất kỳ cách nào trong số hàng nghìn tỷ cách. Không máy tính nào có bộ nhớ hoạt động để xử lý tất cả các tổ hợp có thể có của các nếp gấp riêng lẻ.

Các thuật toán lượng tử có một cách tiếp cận mới đối với các loại vấn đề phức tạp này – tạo ra không gian đa chiều nơi các mẫu liên kết các điểm dữ liệu riêng lẻ xuất hiện. Trong trường hợp có vấn đề về nếp gấp của protein, kiểu hình đó có thể là sự kết hợp của các nếp gấp đòi hỏi ít năng lượng nhất để tạo ra. Sự kết hợp các nếp gấp đó là giải pháp cho vấn đề.

Máy tính cổ điển không thể tạo ra các không gian tính toán này, vì vậy chúng không thể tìm thấy các mẫu này. Trong trường hợp của protein, đã có những thuật toán lượng tử ban đầu có thể tìm ra các mẫu gấp theo những cách hoàn toàn mới, hiệu quả hơn mà không cần đến các thủ tục kiểm tra tốn kém của máy tính cổ điển. Khi quy mô phần cứng lượng tử và các thuật toán này tiến bộ, chúng có thể giải quyết các vấn đề gấp protein quá phức tạp đối với bất kỳ siêu máy tính nào.

Sự phức tạp gây khó khăn cho siêu máy tính như thế nào
Protein là những chuỗi axit amin dài trở thành những cỗ máy sinh học hữu ích khi chúng gấp lại thành những hình dạng phức tạp. Tìm ra cách protein sẽ gấp lại là một vấn đề có ý nghĩa quan trọng đối với sinh học và y học.

Một siêu máy tính cổ điển có thể cố gắng gấp một protein bằng lực thô bạo, sử dụng nhiều bộ xử lý của nó để kiểm tra mọi cách có thể để bẻ cong chuỗi hóa học trước khi đưa ra câu trả lời. Nhưng khi các chuỗi protein dài hơn và phức tạp hơn, các siêu máy tính sẽ ngừng hoạt động. Về mặt lý thuyết, một chuỗi gồm 100 axit amin có thể gấp lại theo bất kỳ cách nào trong số hàng nghìn tỷ cách. Không máy tính nào có bộ nhớ hoạt động để xử lý tất cả các tổ hợp có thể có của các nếp gấp riêng lẻ.

Máy tính lượng tử được xây dựng cho sự phức tạp
Các thuật toán lượng tử có một cách tiếp cận mới đối với các loại vấn đề phức tạp này – tạo ra không gian đa chiều nơi các mẫu liên kết các điểm dữ liệu riêng lẻ xuất hiện. Máy tính cổ điển không thể tạo ra các không gian tính toán này, vì vậy chúng không thể tìm thấy các mẫu này. Trong trường hợp của protein, đã có những thuật toán lượng tử ban đầu có thể tìm ra các mẫu gấp theo những cách hoàn toàn mới, hiệu quả hơn mà không cần đến các thủ tục kiểm tra tốn kém của máy tính cổ điển. Khi quy mô phần cứng lượng tử và các thuật toán này tiến bộ, chúng có thể giải quyết các vấn đề gấp protein quá phức tạp đối với bất kỳ siêu máy tính nào.

<còn tiếp>

Nguồn: https://www.ibm.com/topics/quantum-computing#

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here