Tại sao nhân loại lại cần đến máy tính lượng tử, chúng được dùng để làm gì?

Trong những năm gần đây, các gã khổng lồ công nghệ như Google, IBM và nhiều công ty khởi nghiệp đã đầu tư hàng tỷ đô la vào điện toán lượng tử, dù rằng công nghệ này vẫn còn cách khá xa trước khi đạt tới ứng dụng thực tế. Nhiều chuyên gia tin rằng khi các máy tính lượng tử được phát triển đầy đủ, chúng sẽ có tiềm năng thay đổi hoàn toàn thế giới công nghệ, nhưng câu hỏi vẫn còn đó: "Máy tính lượng tử sẽ được dùng để làm gì, và tại sao chúng lại được kỳ vọng đến vậy?".

Ý tưởng về một loại máy tính có khả năng khai thác các hiện tượng kỳ lạ của cơ học lượng tử đã xuất hiện từ những năm 1980, nhưng chỉ trong vài thập kỷ gần đây, các nhà khoa học mới thực sự tiến gần hơn đến việc chế tạo các thiết bị quy mô lớn. Ngày nay, với sự ra đời của các bộ xử lý lượng tử (QPU) và những máy tính lượng tử đơn giản, các nhà nghiên cứu đang nỗ lực làm cho công nghệ này trở nên đáng tin cậy và có khả năng xử lý những bài toán phức tạp vượt xa siêu máy tính hiện tại.

Máy tính lượng tử khác biệt hoàn toàn so với máy tính cổ điển. Điểm đặc biệt của chúng nằm ở khả năng xử lý lượng thông tin khổng lồ nhờ hiện tượng chồng chất lượng tử, trong đó một qubit có thể tồn tại đồng thời ở cả hai trạng thái 0 và 1.

Điều này giúp máy tính lượng tử có thể biểu diễn và xử lý một lượng lớn các giải pháp đồng thời, vượt trội hơn hẳn so với cách xử lý tuần tự của máy tính cổ điển. Theo ông Norbert Lütkenhaus, giám đốc Viện Điện toán Lượng tử tại Đại học Waterloo, máy tính lượng tử có thể xử lý một số nhiệm vụ mà máy tính cổ điển "đơn giản là không thể làm được".

Điện toán lượng tử hiện tại vẫn còn đối mặt với nhiều hạn chế, đặc biệt là về số lượng qubit và tính ổn định của chúng. Máy tính lượng tử lớn nhất hiện nay có thể đạt tới 1.000 qubit, nhưng hầu hết các hệ thống thương mại chỉ có vài chục đến vài trăm qubit. Độ nhạy của qubit đối với nhiễu bên ngoài, như sự thay đổi nhiệt độ hoặc từ trường, khiến cho máy tính lượng tử hiện tại chưa thể chạy các chương trình đủ lâu để giải quyết những vấn đề phức tạp.

Bất chấp những thách thức này, William Oliver, giám đốc Trung tâm Kỹ thuật Lượng tử tại MIT, cho rằng máy tính lượng tử hiện tại không phải vô dụng. Các máy này vẫn được dùng để thử nghiệm, học cách xây dựng các máy tính lượng tử lớn hơn và phát triển những thuật toán mới để tận dụng tính toán lượng tử trong tương lai.

Mặc dù vẫn trong giai đoạn phát triển, máy tính lượng tử có tiềm năng giải quyết các vấn đề trong nhiều lĩnh vực. Một ứng dụng quan trọng là mô phỏng các hệ thống vật lý phức tạp trong hóa học và khoa học vật liệu, nơi những hiện tượng lượng tử đóng vai trò chủ đạo. Khả năng mô phỏng các hệ lượng tử có thể giúp các nhà khoa học đạt được đột phá trong phát triển pin, chất siêu dẫn, chất xúc tác và dược phẩm.

Bên cạnh đó, máy tính lượng tử cũng có thể phá vỡ mã hóa hiện tại của internet. Một thuật toán do nhà toán học Peter Shor phát minh có thể bẻ khóa mã hóa RSA – nền tảng bảo mật của hầu hết giao dịch trực tuyến. Điều này đặt ra mối lo ngại về an ninh mạng, khiến nhiều tổ chức phải nghiên cứu và phát triển các tiêu chuẩn mã hóa "hậu lượng tử" để bảo vệ dữ liệu trong tương lai.

Một trong những tiềm năng hấp dẫn khác của điện toán lượng tử là khả năng tối ưu hóa, trong đó máy tính lượng tử có thể tìm ra giải pháp tốt nhất trong một loạt các khả năng. Điều này mở ra cơ hội tối ưu hóa cho các lĩnh vực như giao thông, logistics và xây dựng danh mục đầu tư tài chính. Tuy nhiên, đến nay các thuật toán tối ưu hóa lượng tử chỉ cho thấy lợi thế nhỏ về tốc độ, chưa đạt đến mức độ nhanh hơn theo cấp số nhân so với máy tính cổ điển.

Máy tính lượng tử cũng được kỳ vọng có khả năng thúc đẩy tiến bộ trong lĩnh vực học máy, tuy nhiên, đây là thách thức lớn vì phải chuyển một lượng lớn dữ liệu từ dạng cổ điển sang dạng lượng tử, và quá trình này dễ dàng làm mất lợi thế về hiệu suất tính toán.

Theo các chuyên gia như William Oliver và Norbert Lütkenhaus, điện toán lượng tử vẫn đang ở giai đoạn đầu và đòi hỏi nhiều nghiên cứu để hiểu rõ cách xây dựng các thuật toán lượng tử. Cụ thể, các nhà nghiên cứu phải phát triển những quy trình toán học cơ bản, gọi là "nguyên thủy" lượng tử, nhằm xây dựng các thuật toán phức tạp hơn. Sự phát triển của điện toán lượng tử phụ thuộc nhiều vào khả năng tìm ra các “nguyên thủy” mới và khả năng kết hợp chúng một cách hiệu quả để giải quyết các bài toán thực tế.

Oliver nhấn mạnh rằng, các công ty nên đầu tư vào nghiên cứu để thúc đẩy sự tiến bộ trong các ứng dụng lượng tử, song song với việc giải quyết các vấn đề căn bản trong thiết kế máy tính lượng tử. Ông Lütkenhaus cũng đồng tình rằng, các vấn đề cụ thể chưa phải là ưu tiên trước mắt. Thay vào đó, các công ty nên tập trung vào những thách thức chung, từ đó mở đường cho các ứng dụng tiềm năng sau này.