Lợi thế lượng tử là gì? Thời điểm máy tính lượng tử cực kỳ mạnh mẽ sẽ đến

Lợi thế lượng tử là gì? Thời điểm máy tính lượng tử cực kỳ mạnh mẽ sẽ đến

Dấu thời gian: 17:2023 chiều ngày 3 tháng 03 năm XNUMX

Lợi thế lượng tử là cột mốc quan trọng mà lĩnh vực điện toán lượng tử đang nỗ lực hướng tới, khi một máy tính lượng tử có thể giải quyết các vấn đề nằm ngoài tầm với của các máy tính cổ điển hoặc phi lượng tử mạnh nhất.

Lượng tử đề cập đến quy mô của các nguyên tử và phân tử trong đó các định luật vật lý mà chúng ta trải nghiệm bị phá vỡ và áp dụng một bộ định luật khác, phản trực giác. Máy tính lượng tử tận dụng những hành vi kỳ lạ này để giải quyết vấn đề.

Có một số loại vấn đề được máy tính cổ điển không thể giải được, Chẳng hạn như bẻ khóa các thuật toán mã hóa tiên tiến. Nghiên cứu trong những thập kỷ gần đây đã chỉ ra rằng máy tính lượng tử có tiềm năng giải quyết một số vấn đề này. Nếu một máy tính lượng tử có thể được chế tạo thực sự giải quyết được một trong những vấn đề này, thì nó sẽ chứng tỏ được lợi thế lượng tử.

tôi là một nhà vật lý người nghiên cứu xử lý thông tin lượng tử và điều khiển các hệ thống lượng tử. Tôi tin rằng ranh giới đổi mới khoa học và công nghệ này không chỉ hứa hẹn những tiến bộ đột phá trong tính toán mà còn thể hiện sự đột biến rộng rãi hơn trong công nghệ lượng tử, bao gồm những tiến bộ đáng kể trong mật mã lượng tử và cảm biến lượng tử.

Nguồn sức mạnh của máy tính lượng tử

Trọng tâm của điện toán lượng tử là bit lượng tử, hay qubit. Không giống như các bit cổ điển, chỉ có thể ở trạng thái 0 hoặc 1, qubit có thể ở bất kỳ trạng thái nào là sự kết hợp của 0 và 1. Trạng thái không chỉ 1 hay chỉ 0 này được gọi là chồng chất lượng tử. Với mỗi qubit bổ sung, số lượng trạng thái có thể được biểu thị bằng qubit sẽ tăng gấp đôi.

Đặc tính này thường bị nhầm lẫn với nguồn sức mạnh của điện toán lượng tử. Thay vào đó, nó phụ thuộc vào sự tương tác phức tạp của sự chồng chất, sự can thiệp và sự vướng víu.

Sự can thiệp liên quan đến việc điều khiển các qubit để trạng thái của chúng kết hợp mang tính xây dựng trong quá trình tính toán nhằm khuếch đại các giải pháp đúng và triệt tiêu để loại bỏ các câu trả lời sai. Giao thoa tăng cường là hiện tượng xảy ra khi đỉnh của hai sóng—như sóng âm hoặc sóng đại dương—kết hợp với nhau để tạo ra đỉnh cao hơn. Giao thoa triệt tiêu là hiện tượng xảy ra khi đỉnh sóng và đáy sóng kết hợp và triệt tiêu lẫn nhau. Các thuật toán lượng tử, rất ít và khó nghĩ ra, thiết lập một chuỗi các mẫu giao thoa mang lại câu trả lời chính xác cho một vấn đề.

Sự vướng víu thiết lập mối tương quan lượng tử duy nhất giữa các qubit: Trạng thái của một qubit không thể được mô tả độc lập với các qubit khác, bất kể các qubit cách nhau bao xa. Đây là điều mà Albert Einstein đã bác bỏ một cách nổi tiếng là “tác dụng ma quái ở khoảng cách xa”. Hành vi tập thể của sự vướng víu, được điều phối thông qua máy tính lượng tử, cho phép tăng tốc độ tính toán vượt quá tầm với của máy tính cổ điển.

[Nhúng nội dung]

Các ứng dụng của máy tính lượng tử

Điện toán lượng tử có nhiều ứng dụng tiềm năng, có thể hoạt động tốt hơn máy tính cổ điển. Trong mật mã, máy tính lượng tử đặt ra cả cơ hội và thách thức. Nổi tiếng nhất, họ có tiềm năng giải mã các thuật toán mã hóa hiện tại, chẳng hạn như được sử dụng rộng rãi sơ đồ RSA.

Một hậu quả của việc này là các giao thức mã hóa ngày nay cần phải được thiết kế lại để chống lại các cuộc tấn công lượng tử trong tương lai. Sự công nhận này đã dẫn đến sự phát triển của lĩnh vực mật mã hậu lượng tử. Sau một quá trình dài, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia gần đây đã chọn ra bốn thuật toán kháng lượng tử và bắt đầu quá trình chuẩn bị chúng để các tổ chức trên thế giới có thể sử dụng chúng trong công nghệ mã hóa của mình.

Ngoài ra, điện toán lượng tử có thể tăng tốc đáng kể mô phỏng lượng tử: khả năng dự đoán kết quả của các thí nghiệm hoạt động trong thế giới lượng tử. Nhà vật lý nổi tiếng Richard Feynman đã hình dung ra khả năng này hơn 40 năm trước. Mô phỏng lượng tử mang lại tiềm năng cho những tiến bộ đáng kể trong khoa học hóa học và vật liệu, hỗ trợ trong các lĩnh vực như mô hình hóa cấu trúc phân tử phức tạp để khám phá thuốc và cho phép khám phá hoặc tạo ra vật liệu có đặc tính mới.

Một ứng dụng khác của công nghệ thông tin lượng tử là cảm biến lượng tử: phát hiện và đo lường các đặc tính vật lý như năng lượng điện từ, trọng lực, áp suất và nhiệt độ bằng độ nhạy và độ chính xác cao hơn hơn các thiết bị phi lượng tử. Cảm biến lượng tử có vô số ứng dụng trong các lĩnh vực như kiểm soát môi trường, thăm dò địa chất, Hình ảnh y tếvà giám sát.

Các sáng kiến ​​như phát triển một internet lượng tử việc kết nối các máy tính lượng tử là những bước quan trọng hướng tới việc kết nối thế giới điện toán lượng tử và cổ điển. Mạng này có thể được bảo mật bằng cách sử dụng các giao thức mã hóa lượng tử như phân phối khóa lượng tử, cho phép các kênh liên lạc cực kỳ an toàn được bảo vệ khỏi các cuộc tấn công tính toán, bao gồm cả các cuộc tấn công sử dụng máy tính lượng tử.

Bất chấp bộ ứng dụng dành cho điện toán lượng tử ngày càng phát triển, việc phát triển các thuật toán mới tận dụng tối đa lợi thế lượng tử—đặc biệt là trong học máy-vẫn là một lĩnh vực quan trọng của nghiên cứu đang diễn ra.

một thiết bị kim loại có ánh sáng laze màu xanh lá cây ở phía sau
Một cảm biến lượng tử nguyên mẫu do các nhà nghiên cứu của MIT phát triển có thể phát hiện bất kỳ tần số nào của sóng điện từ. Tín dụng hình ảnh: Quốc Khánh Vương, CC BY-NC-ND

Luôn mạch lạc và khắc phục lỗi

Sản phẩm lĩnh vực điện toán lượng tử phải đối mặt với những trở ngại đáng kể trong việc phát triển phần cứng và phần mềm. Máy tính lượng tử rất nhạy cảm với bất kỳ tương tác không chủ ý nào với môi trường của chúng. Điều này dẫn đến hiện tượng mất kết hợp, trong đó qubit nhanh chóng suy giảm về trạng thái 0 hoặc 1 của các bit cổ điển.

Việc xây dựng các hệ thống điện toán lượng tử quy mô lớn có khả năng thực hiện lời hứa về tăng tốc lượng tử đòi hỏi phải khắc phục tình trạng mất kết hợp. Điều quan trọng là phát triển các phương pháp hiệu quả để ngăn chặn và sửa lỗi lượng tử, một lĩnh vực nghiên cứu của riêng tôi tập trung vào.

Để giải quyết những thách thức này, nhiều khởi nghiệp phần cứng và phần mềm lượng tử đã nổi lên cùng với những công ty có uy tín trong ngành công nghệ như Google và IBM. Mối quan tâm của ngành này, kết hợp với sự đầu tư đáng kể từ các chính phủ trên toàn thế giới, nhấn mạnh sự công nhận chung về tiềm năng biến đổi của công nghệ lượng tử. Những sáng kiến ​​này thúc đẩy một hệ sinh thái phong phú, nơi giới học thuật và ngành công nghiệp hợp tác, thúc đẩy tiến bộ trong lĩnh vực này.

Lợi thế lượng tử sắp xuất hiện

Điện toán lượng tử một ngày nào đó có thể đột phá như sự xuất hiện của trí tuệ nhân tạo. Hiện nay, sự phát triển của công nghệ điện toán lượng tử đang ở thời điểm quan trọng. Một mặt, lĩnh vực này đã sớm cho thấy những dấu hiệu đạt được lợi thế lượng tử chuyên biệt trong phạm vi hẹp. Các nhà nghiên cứu tại Google và sau này một nhóm nghiên cứu ở Trung Quốc đã chứng minh được lợi thế lượng tử để tạo danh sách các số ngẫu nhiên với những tính chất nhất định. Nhóm nghiên cứu của tôi đã chứng minh khả năng tăng tốc lượng tử cho trò chơi đoán số ngẫu nhiên.

Mặt khác, có nguy cơ hữu hình khi bước vào “mùa đông lượng tử”, giai đoạn giảm đầu tư nếu kết quả thực tế không thành hiện thực trong thời gian tới.

Trong khi ngành công nghệ đang nỗ lực mang lại lợi thế lượng tử trong các sản phẩm và dịch vụ trong thời gian tới, nghiên cứu học thuật vẫn tập trung vào việc điều tra các nguyên tắc cơ bản làm nền tảng cho khoa học và công nghệ mới này. Nghiên cứu cơ bản đang diễn ra này, được thúc đẩy bởi đội ngũ cán bộ nhiệt tình gồm những sinh viên mới và thông minh thuộc loại mà tôi gặp hầu như hàng ngày, đảm bảo rằng lĩnh vực này sẽ tiếp tục phát triển.

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

Tín dụng hình ảnh: xx / xx

Dấu thời gian:

Thêm từ Trung tâm cá biệt