Các chuyên gia cho rằng điện toán lượng tử đang trên đà phát triển. Trong vài năm qua, khả năng của máy tính lượng tử đã đạt đến mức có thể được sử dụng để theo đuổi nghiên cứu với tác động công nghệ rộng rãi. Thông qua nghiên cứu của mình, nhóm Q4Q tại Đại học Nam California, Đại học Bắc Texas và Đại học Trung Michigan, khám phá cách phần mềm và thuật toán được thiết kế cho các công nghệ điện toán lượng tử mới nhất có thể được điều chỉnh để phù hợp với nhu cầu của khoa học ứng dụng. Trong một dự án hợp tác, nhóm Q4Q đưa ra lộ trình đưa điện toán lượng tử thân thiện với người dùng có thể truy cập vào các lĩnh vực từ khoa học vật liệu đến phát triển dược phẩm.
Tính toán lượng tử
Kể từ khi nó xuất hiện lần đầu tiên vào những năm 1980, lĩnh vực máy tính lượng tử đã hứa hẹn sẽ thay đổi cách thức chúng ta xử lý thông tin. Công nghệ này tập trung vào thực tế là các hạt lượng tử – chẳng hạn như các electron – tồn tại ở các trạng thái ‘chồng chất’. Cơ học lượng tử cũng ra lệnh rằng các hạt sẽ chỉ sụp đổ thành một trạng thái có thể đo lường duy nhất khi được người dùng quan sát. Bằng cách khai thác những đặc tính độc đáo này, các nhà vật lý đã phát hiện ra rằng các lô hạt lượng tử có thể hoạt động như những bản sao tiên tiến hơn với các bit nhị phân thông thường – chỉ tồn tại ở một trong hai trạng thái có thể có (bật hoặc tắt) tại một thời điểm nhất định.
Trên máy tính cổ điển, chúng ta viết và xử lý thông tin dưới dạng nhị phân. Cụ thể, đơn vị cơ bản của thông tin là bit, nhận các giá trị nhị phân logic 0 hoặc 1. Tương tự, bit lượng tử (còn được gọi là ‘qubit’) là vật mang thông tin gốc trên máy tính lượng tử. Giống như bit, chúng tôi đọc kết quả nhị phân của qubit, đó là 0 hoặc 1 cho mỗi qubit.
Tuy nhiên, trái ngược hoàn toàn với bit, chúng ta có thể mã hóa thông tin trên qubit dưới dạng chồng chất các giá trị logic của 0 và 1. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể mã hóa nhiều thông tin trong một qubit hơn là một bit. Ngoài ra, khi chúng ta có một tập hợp các qubit, nguyên tắc chồng chất dẫn đến các trạng thái tính toán có thể mã hóa các mối tương quan giữa các qubit, mạnh hơn bất kỳ loại tương quan nào đạt được trong tập hợp các bit. Các tương quan lượng tử chồng chất và mạnh mẽ được cho là nền tảng mà máy tính lượng tử dựa vào để cung cấp tốc độ xử lý nhanh hơn so với các máy tính cổ điển của chúng.
Để thực hiện các phép tính, trạng thái qubit có thể được sử dụng trong các cổng logic lượng tử, thực hiện các hoạt động trên qubit, do đó biến đổi trạng thái đầu vào theo một thuật toán được lập trình. Đây là một mô hình cho tính toán lượng tử, tương tự như các máy tính thông thường. Năm 1998, cả qubit và cổng logic lượng tử lần đầu tiên được hiện thực hóa bằng thực nghiệm – đưa khái niệm lý thuyết trước đây về tính toán lượng tử vào thế giới thực.
Những tiến bộ đình trệ
Từ cơ sở này, các nhà nghiên cứu sau đó bắt đầu phát triển phần mềm và thuật toán mới, được thiết kế đặc biệt cho các hoạt động sử dụng qubit. Tuy nhiên, vào thời điểm đó, việc áp dụng rộng rãi các kỹ thuật này trong các ứng dụng hàng ngày dường như vẫn còn một chặng đường dài. Trung tâm của vấn đề nằm ở chỗ các sai số chắc chắn được đưa vào các hệ lượng tử bởi môi trường xung quanh của chúng. Nếu không được hiệu chỉnh, những lỗi này có thể khiến các qubit mất thông tin lượng tử, khiến các phép tính hoàn toàn vô dụng. Nhiều nghiên cứu vào thời điểm đó nhằm mục đích phát triển các cách sửa chữa những lỗi này, nhưng các quy trình mà họ đưa ra luôn tốn kém và mất thời gian.
Thật không may, nguy cơ mắc lỗi đối với các phép tính lượng tử tăng lên đáng kể khi nhiều qubit được thêm vào một hệ thống. Trong hơn một thập kỷ sau khi thực nghiệm ban đầu hiện thực hóa qubit và cổng logic lượng tử, điều này có nghĩa là máy tính lượng tử có rất ít hứa hẹn trong việc cạnh tranh với khả năng của các máy tính thông thường của chúng.
Ngoài ra, tính toán lượng tử phần lớn chỉ giới hạn trong các phòng nghiên cứu chuyên biệt, có nghĩa là nhiều nhóm nghiên cứu có thể được hưởng lợi từ công nghệ này đã không thể truy cập vào nó.
Cải thiện khả năng tiếp cận
Trong khi việc sửa lỗi vẫn còn là một trở ngại, công nghệ này đã vượt ra ngoài các phòng nghiên cứu chuyên biệt, trở nên dễ tiếp cận hơn với nhiều người dùng hơn. Điều này xảy ra lần đầu tiên vào năm 2011, khi thiết bị ủ lượng tử đầu tiên được thương mại hóa. Với sự kiện này, các lộ trình khả thi đã xuất hiện hướng tới các bộ xử lý lượng tử đáng tin cậy chứa hàng nghìn qubit có khả năng tính toán hữu ích.
Ủ lượng tử là một kỹ thuật tiên tiến để có được các giải pháp tối ưu cho các vấn đề toán học phức tạp. Nó là một mô hình tính toán lượng tử thay thế cho hoạt động trên qubit với cổng logic lượng tử.
Sự sẵn có của các thiết bị ủ lượng tử thương mại đã thúc đẩy sự quan tâm mới đối với tính toán lượng tử, với tiến bộ công nghệ do đó, đặc biệt là được thúc đẩy bởi các thủ đô công nghiệp. Vào năm 2016, đỉnh điểm là sự phát triển của một hệ thống đám mây mới dựa trên các cổng logic lượng tử, cho phép chủ sở hữu và người dùng máy tính lượng tử trên khắp thế giới tổng hợp tài nguyên của họ với nhau, mở rộng việc sử dụng các thiết bị bên ngoài các phòng nghiên cứu chuyên dụng. Không lâu sau, việc sử dụng rộng rãi phần mềm lượng tử và các thuật toán cho các kịch bản nghiên cứu cụ thể bắt đầu có vẻ ngày càng thực tế.
Tuy nhiên, vào thời điểm đó, công nghệ này vẫn đòi hỏi trình độ chuyên môn cao để vận hành. Nếu không có kiến thức cụ thể về các quá trình lượng tử liên quan, các nhà nghiên cứu trong các lĩnh vực như sinh học, hóa học, khoa học vật liệu và phát triển thuốc không thể tận dụng chúng. Cần phải có những tiến bộ hơn nữa trước khi những ưu điểm của tính toán lượng tử có thể được áp dụng rộng rãi bên ngoài lĩnh vực cơ học lượng tử.
Mô phỏng lượng tử hữu ích
Giờ đây, nhóm Q4Q đặt mục tiêu xây dựng dựa trên những tiến bộ trước đây – sử dụng các thuật toán lượng tử thân thiện với người dùng và các gói phần mềm để hiện thực hóa các mô phỏng lượng tử của các hệ thống vật lý. Nơi mà các thuộc tính phức tạp sâu sắc của các hệ thống này cực kỳ khó để tạo lại trong các máy tính thông thường, thì hiện nay người ta hy vọng rằng điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng các hệ thống qubit lớn.
Để tái tạo các công nghệ có thể trở nên phổ biến rộng rãi trên thực tế trong tương lai gần, các thí nghiệm của nhóm sẽ kết hợp các thiết bị ‘lượng tử quy mô trung gian ồn ào’ (NISQ) – chứa số lượng qubit tương đối lớn và bản thân chúng dễ bị lỗi môi trường.
Trong các dự án của mình, nhóm Q4Q xác định ba khía cạnh cụ thể của phân tử và vật liệu rắn có thể được khám phá tốt hơn thông qua các kỹ thuật mà họ muốn phát triển. Điều đầu tiên trong số này liên quan đến ‘cấu trúc dải’ của chất rắn – mô tả phạm vi mức năng lượng mà các electron có thể chiếm trong chất rắn, cũng như những năng lượng mà chúng bị cấm sở hữu.
Thứ hai, chúng nhằm mục đích mô tả các dao động và đặc tính điện tử của các phân tử riêng lẻ – mỗi phân tử có thể ảnh hưởng nặng nề đến các đặc tính vật lý của chúng. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu sẽ khám phá cách thức khai thác các khía cạnh nhất định của ủ lượng tử để hiện thực hóa các thuật toán học máy – vốn tự động cải thiện thông qua kinh nghiệm xử lý dữ liệu của họ.
Phân tử và chất rắn
Khi họ áp dụng các kỹ thuật này, nhóm Q4Q dự đoán rằng phát hiện của họ sẽ dẫn đến kiến thức tốt hơn về các tính chất lượng tử của cả phân tử và vật liệu rắn. Đặc biệt, họ hy vọng sẽ cung cấp những mô tả tốt hơn về chất rắn tuần hoàn, mà các nguyên tử cấu thành của chúng được sắp xếp theo các mô hình lặp lại đáng tin cậy.
Trước đây, các nhà nghiên cứu đã vật lộn để tái tạo ‘các chức năng sóng của các hạt lượng tử tương tác trong các vật liệu này, liên quan đến xác suất tìm thấy các hạt ở các vị trí cụ thể khi người dùng quan sát. Thông qua các kỹ thuật của họ, nhóm Q4Q nhằm mục đích giảm số lượng qubit cần thiết để nắm bắt các chức năng sóng này, dẫn đến các mô phỏng lượng tử thực tế hơn về vật liệu rắn.
Ở những nơi khác, nhóm Q4Q sẽ giải thích các đặc tính lượng tử thường phức tạp sâu sắc của các phân tử riêng lẻ được tạo thành từ các nhóm nguyên tử lớn. Trong các phản ứng hóa học, bất kỳ thay đổi nào diễn ra bên trong các phân tử này sẽ được thúc đẩy mạnh mẽ bởi các quá trình lượng tử, vốn vẫn còn chưa được hiểu rõ. Bằng cách phát triển các plugin cho phần mềm lượng tử hiện có, nhóm hy vọng sẽ tái tạo chính xác hóa học lượng tử này trong các phản ứng mô phỏng.
Nếu họ thành công trong việc đạt được những mục tiêu này, kết quả công việc của họ có thể mở ra nhiều con đường nghiên cứu mới trong nhiều lĩnh vực khác nhau – đặc biệt là khi các tác động của cơ học lượng tử vẫn chưa được xem xét rộng rãi. Đặc biệt, chúng cũng sẽ góp phần xác định các điểm nghẽn của các đơn vị xử lý lượng tử hiện tại, từ đó hỗ trợ thiết kế các máy tính lượng tử tốt hơn.
Mở rộng sang các lĩnh vực mới
Có lẽ nói chung nhất, nhóm Q4Q hy vọng rằng các kỹ thuật của họ sẽ cho phép các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn cách vật chất phản ứng với các nhiễu động bên ngoài, chẳng hạn như laser và các nguồn sáng khác.
Ở những nơi khác, phần mềm lượng tử có thể truy cập rộng rãi có thể trở nên vô cùng hữu ích trong việc thiết kế các loại dược phẩm mới, cũng như phân bón mới. Bằng cách xác định cách các phản ứng giữa các phân tử hữu cơ và sinh học diễn ra trong các mô phỏng, các nhà nghiên cứu có thể thiết kế các cấu trúc phân tử được thiết kế đặc biệt để điều trị các tình trạng y tế nhất định.
Khả năng mô phỏng những phản ứng này cũng có thể dẫn đến những tiến bộ mới trong lĩnh vực sinh học nói chung, nơi các quá trình liên quan đến các phân tử lớn, phức tạp sâu sắc bao gồm protein và axit nucleic là rất quan trọng đối với chức năng của mọi sinh vật sống.
Cuối cùng, kiến thức tốt hơn về các tính chất dao động và điện tử của chất rắn tuần hoàn có thể biến đổi lĩnh vực vật lý vật liệu. Bằng cách thiết kế chính xác các cấu trúc để hiển thị các đặc tính vật lý nhất định trên quy mô vĩ mô, các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh vật liệu mới với một loạt các đặc điểm mong muốn: bao gồm độ bền, tương tác tiên tiến với ánh sáng và tính bền vững với môi trường.
Đào tạo một thế hệ mới
Nếu các tác động của các mục tiêu nghiên cứu được đề xuất của nhóm chuyển đổi như họ hy vọng, các nhà nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khác nhau của nỗ lực công nghệ có thể sớm làm việc với công nghệ lượng tử.
Một sự thay đổi rõ ràng như vậy so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống có thể tạo ra nhiều công việc mới – với các bộ kỹ năng cần thiết bao gồm việc sử dụng các thuật toán và phần mềm lượng tử tiên tiến. Do đó, yếu tố chính trong hoạt động của nhóm là phát triển các chiến lược mới để đào tạo các thế hệ nhà nghiên cứu tương lai. Các thành viên của nhóm Q4Q tin rằng điều này sẽ đưa ra một số lộ trình rõ ràng nhất hướng tới việc ứng dụng rộng rãi tính toán lượng tử trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.
Theo: Thenextweb.
