Quantum supremacy (sự thống trị lượng tử hay tối thượng lượng tử) là việc thực hiện một nhiệm vụ trên máy tính lượng tử với số tài nguyên ít hơn theo cấp số mũ so với máy tính truyền thống. Các chuyên gia đồng ý rằng sẽ cần nhiều giờ nghiên cứu — và có lẽ nhiều bài báo hơn nữa — để làm sáng tỏ hoàn toàn chủ đề tối thượng lượng tử.
Sự thống trị lượng tử là gì?
Sự thống trị lượng tử là minh chứng thực nghiệm về sự thống trị và lợi thế của máy tính lượng tử so với máy tính cổ điển bằng cách thực hiện các phép tính trước đây không thể thực hiện được ở tốc độ vô song. Để xác nhận rằng sự thống trị lượng tử đã đạt được, các nhà khoa học máy tính phải có khả năng chứng minh rằng máy tính cổ điển không bao giờ có thể giải quyết được vấn đề này đồng thời chứng minh rằng máy tính lượng tử có thể thực hiện phép tính một cách nhanh chóng.
Các nhà khoa học máy tính tin rằng sự vượt trội lượng tử sẽ giúp giải mã thuật toán Shor – một phép tính hiện không thể thực hiện được và là cơ sở của hầu hết các phương pháp mật mã hiện đại – cũng như mang lại lợi thế trong phát triển thuốc, dự báo thời tiết, giao dịch chứng khoán và thiết kế vật liệu.
Máy tính lượng tử liên tục phát triển. Máy tính lượng tử vẫn chưa đạt đến điểm mà chúng có thể thể hiện sự vượt trội so với máy tính cổ điển. Điều này chủ yếu là do số lượng bit lượng tử hoặc qubit khổng lồ cần thiết để thực hiện các phép toán có ý nghĩa trên máy tính lượng tử. Khi số lượng cổng logic và số lượng qubit cần thiết tăng lên, tỷ lệ lỗi cũng tăng theo. Nếu tỷ lệ lỗi quá cao, máy tính lượng tử sẽ mất đi mọi lợi thế so với máy tính cổ điển.
Để thực hiện thành công các phép tính hữu ích — chẳng hạn như xác định tính chất hóa học của một chất — cần có vài triệu qubit. Hiện tại, thiết kế máy tính lượng tử lớn nhất là máy tính lượng tử của IBM, có tên là Osprey, có 433 qubit.
Máy tính lượng tử so với máy tính cổ điển
Sự khác biệt chính giữa máy tính lượng tử và máy tính cổ điển là cách chúng hoạt động. Máy tính cổ điển xử lý thông tin dưới dạng bit, với tất cả các phép tính được thực hiện bằng ngôn ngữ nhị phân gồm 1 và 0. Dòng điện trong máy tính cổ điển có thể chạy qua bóng bán dẫn hoặc không; không có sự trung gian.
Ngược lại, máy tính lượng tử sử dụng lý thuyết lượng tử làm cơ sở cho hệ thống của chúng. Lý thuyết lượng tử tập trung vào các tương tác phi thường giữa các hạt ở quy mô vô hình — chẳng hạn như nguyên tử, electron và photon. Do đó, các trạng thái nhị phân được sử dụng trong máy tính cổ điển không còn có thể áp dụng cho máy tính lượng tử nữa.
Về mặt lý thuyết, qubit có thể vượt trội hơn quy mô tính toán của bit nhị phân theo độ lớn. Điều này chủ yếu là do sự chồng chập lượng tử — khả năng một hạt hạ nguyên tử tồn tại ở hai trạng thái cùng một lúc. Sự chồng chập cho phép qubit chạy các phép tính cụ thể trên nhiều khả năng khác nhau cùng một lúc.
Các ion, photon và siêu dẫn bị bẫy cung cấp cho máy tính lượng tử khả năng thực hiện các phép tính với tốc độ cực nhanh và tiếp nhận lượng dữ liệu khổng lồ. Tuy nhiên, giá trị thực sự mà máy tính lượng tử có thể cung cấp là khả năng giải quyết các vấn đề quá phức tạp đối với máy tính cổ điển hoặc mất hàng tỷ năm để máy tính cổ điển trả lời. Máy tính lượng tử sẽ có thể tạo ra một loạt các mẫu từ một mạch lượng tử ngẫu nhiên tuân theo một phân phối chính xác, cụ thể.
Mặc dù những lợi thế này có thể dẫn đến sự thống trị lượng tử, nhưng bộ xử lý vẫn chưa được chế tạo với tất cả các khả năng. Máy tính cổ điển tiếp tục làm các nhà khoa học máy tính ngạc nhiên với sức mạnh tính toán và khả năng giải quyết một số loại vấn đề nhất định. Cho đến khi một máy tính lượng tử được chế tạo để giải quyết một vấn đề đã được chứng minh là máy tính cổ điển không thể giải quyết, vẫn có khả năng tồn tại một thuật toán cổ điển tốt hơn và sự thống trị lượng tử sẽ không đạt được.
Ứng dụng của tính tối cao lượng tử
Một số người tin rằng máy tính lượng tử đạt được ưu thế lượng tử có thể là công nghệ mới mang tính đột phá nhất kể từ khi bộ vi xử lý Intel 4004 được phát minh vào năm 1971. Một số ngành nghề và lĩnh vực kinh doanh nhất định sẽ bị ảnh hưởng đáng kể bởi ưu thế lượng tử. Ví dụ bao gồm:
- Khả năng thực hiện các mô phỏng phức tạp hơn trên quy mô lớn hơn sẽ giúp các công ty nâng cao hiệu quả, hiểu biết sâu sắc hơn và dự báo tốt hơn, do đó cải thiện quy trình tối ưu hóa.
- Có thể thực hiện được các mô phỏng nâng cao mô phỏng các hệ thống lượng tử phức tạp, chẳng hạn như các phân tử sinh học.
- Việc kết hợp điện toán lượng tử với trí tuệ nhân tạo có thể khiến AI thông minh hơn rất nhiều so với hiện tại.
- Có thể thiết kế, mô hình hóa và sửa đổi các loại thuốc, hóa chất và vật liệu tùy chỉnh mới để giúp phát triển các sản phẩm dược phẩm, thương mại hoặc kinh doanh mới.
- Khả năng phân tích các số cực lớn có thể phá vỡ các hình thức mã hóa lâu đời hiện nay .
Trong khi hầu hết các ứng dụng này có vẻ mang lại lợi ích, thì tính ưu việt lượng tử cũng có thể làm mất ổn định toán học làm nền tảng cho hầu hết các mã hóa dữ liệu hiện tại. Khi tính ưu việt lượng tử đạt được, các nhà khoa học máy tính sẽ phải đánh giá lại hoàn toàn tính bảo mật máy tính và cách bảo vệ thông tin và dữ liệu. Điều này sẽ trở nên cực kỳ khó khăn với tốc độ cao và lượng dữ liệu lớn mà máy tính lượng tử sẽ xử lý.
Ví dụ về sự thống trị lượng tử
Trong khi vấn đề đầu tiên minh họa cho tính tối cao lượng tử có thể là bất kỳ điều gì các nhà khoa học máy tính mong muốn, thì người ta kỳ vọng rằng họ sẽ sử dụng một vấn đề được gọi là lấy mẫu mạch ngẫu nhiên .
Vấn đề này đòi hỏi máy tính phải lấy mẫu chính xác từ các đầu ra có thể có của một mạch lượng tử ngẫu nhiên — tương tự như một loạt các hành động có thể được thực hiện trên một tập hợp qubit. Máy tính cổ điển không có bất kỳ thuật toán nhanh nào để tạo ra các mẫu này. Khi mảng các mẫu có thể tăng lên, máy tính cổ điển trở nên quá tải. Nếu máy tính lượng tử có thể lấy mẫu hiệu quả trong trường hợp này, nó sẽ chứng minh được tính ưu việt của lượng tử.
Tầm quan trọng của sự thống trị lượng tử
Các thuật toán lượng tử đầu tiên đã được giải quyết vào những năm 1990. Mặc dù bản thân các vấn đề là vô ích, nhưng quá trình này đã cung cấp cho các nhà khoa học máy tính thiết kế chúng kiến thức và hiểu biết mà họ có thể sử dụng để phát triển các thuật toán có ý nghĩa hơn — như thuật toán của Shor — có khả năng mang lại hậu quả thực tế lớn.
Các nhà khoa học máy tính hy vọng rằng sự thống trị lượng tử sẽ lặp lại quá trình này và thúc đẩy các nhà phát minh tạo ra một máy tính lượng tử có khả năng vượt trội hơn máy tính cổ điển — ngay cả khi nó chỉ giải quyết được một vấn đề đơn giản, vô dụng — vì công trình này có thể là chìa khóa để xây dựng một máy tính lượng tử hữu ích và tối ưu.
Một số người cũng tin rằng định luật Moore sẽ sớm kết thúc. Điều này sẽ hạn chế nghiên cứu AI vì các ứng dụng thông minh hơn, chẳng hạn như ô tô hoàn toàn tự động, đòi hỏi lượng lớn sức mạnh xử lý. Khi đạt được sự thống trị lượng tử, điện toán lượng tử sẽ có thể giải quyết vấn đề này, cũng như cách mạng hóa học máy (ML).
Sự thống trị lượng tử sẽ ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực khoa học máy tính lý thuyết. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học trong lĩnh vực này đã tin vào luận đề Church-Turing mở rộng, trong đó nêu rằng máy tính cổ điển có thể giải quyết hiệu quả bất kỳ vấn đề nào mà bất kỳ loại máy tính nào khác có thể giải quyết. Sự thống trị lượng tử vi phạm giả định đó. Các nhà khoa học sẽ buộc phải xem xét một thế giới khoa học máy tính hoàn toàn mới.
Tương lai của sự thống trị lượng tử
Mục tiêu cuối cùng của máy tính lượng tử là tạo ra một máy tính cổng có khả năng chịu lỗi phổ quát, đầy đủ chức năng. Trước khi có thể chế tạo được máy này, các nhà khoa học máy tính cần phát triển:
- Tính năng sửa lỗi tinh vi không yêu cầu lượng phần cứng lớn.
- Thuật toán tiên tiến có thể hỗ trợ những vấn đề phức tạp đặc biệt.
- Tiếng ồn tăng cường.
- Qubit có độ nhạy nhiễu thấp hơn, thời gian kết hợp dài hơn và độ tin cậy cao hơn.
- Bộ xử lý lượng tử sở hữu hàng nghìn qubit.
Hoa Kỳ và Trung Quốc là những quốc gia tập trung đầu tư nhiều nhất vào các dự án lượng tử, cùng với các tổ chức và doanh nghiệp như Google, Microsoft, IBM, Lockheed Martin và Alibaba.
Ưu điểm và nhược điểm của sự thống trị lượng tử
Khi ưu thế lượng tử được thể hiện, máy tính lượng tử sẽ cung cấp khả năng sử dụng vượt trội để xử lý các tập dữ liệu lớn, chẳng hạn như dữ liệu được sử dụng trong nghiên cứu ung thư, thiết kế thuốc, vật lý hạt kỹ thuật di truyền và dự báo thời tiết. Do sự chồng chập, các lập trình viên đang phát triển các công cụ để mã hóa máy tính lượng tử không thể xem các đường dẫn mà dữ liệu của họ đi từ đầu vào đến đầu ra, khiến quá trình gỡ lỗi trở nên cực kỳ phức tạp.
Trong khi ưu thế lượng tử có thể cực kỳ có lợi cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau, thì bước đột phá này cũng có thể khiến các quốc gia hoặc tác nhân bất hảo sử dụng máy tính lượng tử cho mục đích phá hoại, chẳng hạn như phá vỡ các mô hình mã hóa hiện tại.
