Khoa học thông tin lượng tử (QIS) là một lĩnh vực mới nổi kết hợp các đặc tính của cơ học lượng tử với các công nghệ tính toán, cảm biến và mạng. Do đó, nó sẵn sàng thúc đẩy những tiến bộ mang tính cách mạng trên một loạt các lĩnh vực thiết yếu – từ an ninh quốc gia đến nghiên cứu năng lượng đến phát triển các vật liệu mới và thuốc cá nhân hóa. Về cốt lõi, điện toán lượng tử khai thác các hiện tượng của cơ học lượng tử để phân tích, giải thích và sử dụng lượng dữ liệu khổng lồ để giải quyết các vấn đề phức tạp.

Điện toán lượng tử có thể sẽ là chìa khóa cho tương lai công nghệ của các doanh nghiệp ở khắp mọi nơi. Lời hứa này về các công nghệ lượng tử đã tạo ra nhiều nhà truyền bá phúc âm, ngay cả khi việc áp dụng quy mô lớn các hệ thống lượng tử vẫn còn rất xa vời trên đường chân trời. Nếu bạn hy vọng biến lời hứa này thành hiện thực và trở thành nhà lãnh đạo lượng tử, điều cần thiết là tổ chức của bạn phải sắp xếp các nguồn lực, ưu tiên, tài năng, năng lượng và tầm nhìn.

Giờ là lúc chuẩn bị cho cuộc cách mạng lượng tử sắp tới. Dưới đây là mọi thứ bạn cần biết về QIS – những ngành có khả năng bị gián đoạn trước những thách thức đã biết mà công nghệ phải đối mặt.

Theo Richard Feynman, nhà vật lý lý thuyết người Mỹ đoạt giải Nobel và là người tiên phong trong lĩnh vực QIS có chia sẽ: “Với một loại máy lượng tử phù hợp, bạn có thể bắt chước bất kỳ hệ thống lượng tử nào, kể cả thế giới vật chất.”

Có thể thấy rằng chỉ có những người tiên phong về công nghệ điện toán chỉ có thể tưởng tượng công nghệ điện toán hiện đại có thể đạt được những gì. Nhưng ngay cả khi khả năng tính toán của điện toán cổ điển (ví dụ như nhị phân hoặc kỹ thuật số) tiếp tục phát triển, nhiều vấn đề vẫn nằm ngoài tầm với của nó. Như Tiến sĩ Feynman đã ám chỉ, một máy tính cổ điển không có khả năng “bắt chước” các hệ thống lượng tử.

Cũng giống như thế giới khoa học quay đầu khi sự hiểu biết cổ điển về các hệ thống vật lý bị các nhà lý thuyết lượng tử ban đầu che đậy, những hạn chế của tính toán cổ điển đang bị thách thức bởi lời hứa của tính toán lượng tử.

Như với bất kỳ bước đột phá khoa học nào – và điện toán lượng tử không hứa hẹn là một cuộc cách mạng – công nghệ hỗ trợ và giải thích tính toán lượng tử không dễ mô tả hay dễ nắm bắt. Tuy nhiên, khó có thể bỏ qua những ứng dụng và ý nghĩa của nó. Cuộc cách mạng lượng tử sẽ cung cấp các kết quả tốt hơn, nhanh hơn và có ý nghĩa hơn so với các máy tính thông thường tốt nhất hiện tại (và thậm chí trong tương lai).

Sức mạnh của xử lý lượng tử

Công nghệ lượng tử khai thác các đặc điểm của các hạt nguyên tử và cách chúng liên hệ với nhau để xử lý thông tin với tốc độ tính toán – theo lý thuyết – nhanh hơn theo cấp số nhân so với các máy tính thông thường dựa trên bóng bán dẫn. Vì nhiều lý do liên quan, truyền thông lượng tử cũng an toàn hơn các phương pháp mật mã thông thường.

Sức mạnh và lời hứa của máy tính lượng tử bắt nguồn từ toán tử logic, bit lượng tử, hay qubit. Mặc dù một qubit có thể đại diện cho các trạng thái kỹ thuật số (ví dụ: 0 hoặc 1, tương tự như một bit của máy tính thông thường), một qubit cũng có thể biểu diễn đồng thời cả hai trạng thái trong một trạng thái được gọi là “chồng chất”, là một hiện tượng duy nhất cơ bản của cơ học lượng tử .

Khai thác các tác động của chồng chất có thể mang lại sức mạnh xử lý có tiềm năng giải quyết các vấn đề ngày nay là khó chữa, không thực tế hoặc không thể tưởng tượng được. Cuộc cách mạng lượng tử có thể mở ra một kỷ nguyên khám phá mới vượt ra ngoài sự khắt khe của suy nghĩ ngày nay.

Có bất kỳ số lượng và nhiều lĩnh vực kỹ thuật và kinh doanh nào được hưởng lợi từ sự tiến bộ của máy tính lượng tử. Trên con đường áp dụng rộng rãi hơn, các nhà đổi mới ban đầu đang nghiên cứu các hệ thống lượng tử quen thuộc với tiền thân của máy tính cổ điển của họ:

• Phần cứng lượng tử
• Thuật toán lượng tử
• Phần mềm lượng tử
• Internet lượng tử
• Định thời lượng tử, hình ảnh và cảm biến

Trong một số trường hợp, cần có những đổi mới lớn để biến tính toán lượng tử thành hiện thực (ví dụ như phần cứng để bắt chước cơ học lượng tử và các thuật toán được thiết kế để ứng dụng trên phần cứng lượng tử). Điều đó không có nghĩa là con đường phía trước là rõ ràng. Khai thác sức mạnh của cơ học lượng tử là một nhiệm vụ phức tạp và tinh tế, và vẫn còn nhiều thách thức.

Các lĩnh vực có thể được hưởng lợi từ sự tiến bộ lượng tử

Hành trình dài và tốn kém từ lý thuyết đến thực hành đối với công nghệ lượng tử đặt ra câu hỏi: Những rủi ro và lợi ích của tính toán lượng tử có thể biện minh cho các nguồn lực đáng kể cần thiết là gì?

Một câu trả lời là bẻ khóa dữ liệu cổ điển và mã hóa truyền thông có thể trở nên dễ dàng một cách nhàm chán đối với một máy tính lượng tử. Nếu tất cả các thông tin liên lạc dữ liệu đều có thể đọc được bởi bất kỳ ai sử dụng máy tính lượng tử, thì không có thông tin nhạy cảm nào được bảo mật. Tương tự như vậy, việc mô phỏng các hệ thống phức tạp – bao gồm khoa học vật liệu và khám phá thuốc – là những nhiệm vụ mà về mặt lý thuyết sẽ thu được lợi ích từ sức mạnh của tính toán lượng tử.

Do đó, dự kiến sẽ sớm áp dụng điện toán lượng tử trong một số ngành, bao gồm:

• Tài chính
• Tối ưu hóa danh mục đầu tư
• Đánh giá rủi ro
• Nghiên cứu chế tạo thuốc
• Mã hóa dữ liệu và truyền thông
• Cảm biến và thời gian

Những thách thức về công nghệ

Một số nỗ lực đang được tiến hành để làm cho các Qubit siêu dẫn mạnh mẽ hơn. Các thuật toán được thiết kế cho máy tính lượng tử đang có tốc độ phát triển tương đối nhanh hơn. Có thể cho rằng, các thuật toán dựa trên lượng tử yêu cầu phần cứng thực hiện trước khi toàn bộ tiềm năng của chúng được nhận ra. Những nền tảng phần cứng cụ thể này có thể ảnh hưởng đến thuật toán nào khả thi, nhưng các giao thức và công cụ mã hóa đang được phát triển để đảm bảo máy tính lượng tử được trang bị để giải quyết vấn đề khi phần cứng sẵn sàng hỗ trợ chúng.

Reference:

Matthew Marrone (2021, November 15). Are You Prepared for the Quantum Revolution?, from https://builtin.com/hardware/quantum-computing-revolution