Liệu máy tính lượng tử có thay thế được máy tính cổ điển không?

Những lời hứa hẹn của máy tính lượng tử rất nhiều: Nó có thể giúp phát triển các loại thuốc cứu sống với tốc độ chưa từng có, xây dựng danh mục đầu tư tốt hơn cho tài chính và mở ra kỷ nguyên mới của mật mã học. Điều đó có nghĩa là máy tính lượng tử sẽ trở thành tiêu chuẩn và máy tính cổ điển sẽ trở nên lỗi thời không?

Câu trả lời ngắn gọn là không. Máy tính cổ điển có những đặc điểm riêng biệt mà máy tính lượng tử khó có thể đạt được. Ví dụ, khả năng lưu trữ dữ liệu là đặc thù của máy tính cổ điển vì bộ nhớ của máy tính lượng tử chỉ tồn tại tối đa vài trăm micro giây .

Ngoài ra, máy tính lượng tử cần được giữ ở nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối, tức là khoảng -270 độ C (-450 độ F). Người tiêu dùng trung bình không có tủ lạnh mạnh như vậy ở nhà, và họ cũng không nên làm như vậy khi nghĩ đến mức tiêu thụ năng lượng tương ứng và tác động của nó đến môi trường. Tất cả những thách thức này cho thấy máy tính lượng tử khó có thể trở thành thiết bị cố định trong hầu hết các hộ gia đình hoặc doanh nghiệp.

Kịch bản có khả năng xảy ra hơn là các nhà nghiên cứu trong học viện và ngành công nghiệp sẽ truy cập máy tính lượng tử thông qua dịch vụ đám mây. Mặc dù công nghệ lượng tử vẫn đang trong giai đoạn đầu, các nhà cung cấp như Amazon Web Services và Microsoft Azure đã cung cấp quyền truy cập đám mây vào công nghệ này.

Không còn nghi ngờ gì nữa, điện toán lượng tử sẽ biến đổi nhiều ngành công nghiệp trong thập kỷ tới. Tuy nhiên, máy tính cổ điển sẽ luôn đóng một vai trò. Tuy nhiên, như thường lệ, vấn đề nằm ở chi tiết: Những vấn đề nào phù hợp hơn với lượng tử và những vấn đề nào phù hợp hơn với máy tính cổ điển? Những ngành công nghiệp nào sẽ hưởng lợi nhiều nhất khi áp dụng chiến lược điện toán kết hợp lượng tử và cổ điển?

Lượng tử sẽ không thay thế máy tính cổ điển

Máy tính lượng tử đã tồn tại từ đầu những năm 1980. Tuy nhiên, bốn thập kỷ sau, chúng ta vẫn chưa có đến ba chục thiết bị lượng tử trên toàn thế giới. Bằng chứng thực tế đầu tiên về lợi thế lượng tử, tức là máy tính lượng tử nhanh hơn nhiều so với máy tính cổ điển, chỉ được Google chứng minh vào năm 2019.

Theo báo cáo gần đây của McKinsey , chúng ta thậm chí có thể không có hơn 5.000 máy lượng tử vào năm 2030. Điều này không chỉ vì sẽ khó lưu trữ dữ liệu trong thời gian dài trong máy tính lượng tử hoặc vận hành chúng ở nhiệt độ phòng. Hóa ra, điện toán lượng tử khác biệt cơ bản so với điện toán cổ điển đến mức sẽ mất thời gian để phát triển, triển khai và tận dụng lợi ích của công nghệ này.

Một ví dụ về sự khác biệt cơ bản như vậy là máy tính lượng tử không thể đưa ra câu trả lời trực tiếp như máy tính cổ điển. Các phép tính cổ điển khá đơn giản: Bạn cung cấp một đầu vào, một thuật toán xử lý nó và bạn sẽ có được đầu ra. Mặt khác, các phép tính lượng tử lấy một loạt các đầu vào khác nhau và trả về một loạt các khả năng. Thay vì nhận được một câu trả lời trực tiếp, bạn sẽ nhận được ước tính về khả năng xảy ra của các câu trả lời khác nhau.

Kiểu tính toán này có thể rất hữu ích khi giải quyết các vấn đề phức tạp mà bạn có nhiều biến đầu vào khác nhau và các thuật toán phức tạp. Trên máy tính cổ điển, quá trình như vậy thường mất rất nhiều thời gian. Máy tính lượng tử có thể thu hẹp phạm vi các biến đầu vào và giải pháp khả thi cho một vấn đề. Sau đó, người ta có thể có được câu trả lời trực tiếp bằng cách kiểm tra phạm vi đầu vào mà máy tính lượng tử cung cấp với máy tính cổ điển.

Do đó, máy tính cổ điển sẽ vẫn hữu ích trong nhiều thập kỷ tới. Sự liên quan liên tục của chúng không chỉ là câu hỏi về thời gian cần thiết để máy tính lượng tử được phát triển đủ để đạt được sự chấp nhận chính thống. Nó cũng liên quan đến bản chất mơ hồ của các giải pháp mà máy tính lượng tử trả về. Là con người, chúng ta thích những câu trả lời đơn giản, mà chỉ có thể có được bằng máy tính cổ điển.

Những hạn chế về mặt kỹ thuật của máy tính lượng tử

Tuy nhiên, chúng ta nên nhớ rằng cách làm việc này vẫn chưa được thử nghiệm rộng rãi. Với công nghệ lượng tử vẫn còn trong giai đoạn trứng nước sau bốn thập kỷ làm việc, có một số hạn chế khá khó khăn để vượt qua. Những hạn chế này sẽ đảm bảo máy tính cổ điển vẫn có liên quan.

Thông tin trên máy tính lượng tử được lưu trữ và xử lý theo các đơn vị gọi là qubit. Tương tự như bit trong máy tính cổ điển, chúng có thể có các giá trị khác nhau, như không hoặc một. Tuy nhiên, qubit cũng có thể có hỗn hợp của không và một, chẳng hạn như 30 phần trăm không và 70 phần trăm một. Khả năng này khiến chúng trở nên khá mạnh mẽ : Trong khi máy tính cổ điển có N bit có thể thực hiện tối đa N phép tính cùng một lúc, máy tính lượng tử có thể quản lý tới 2^ N phép tính. Do đó, nếu bộ xử lý cổ điển quản lý 10 phép tính, bộ xử lý lượng tử sẽ quản lý 2^ 10 hoặc 1.024 phép tính.

Vấn đề là rất khó để xây dựng máy tính lượng tử với nhiều qubit – kỷ lục hiện tại là một máy của Trung Quốc với 76. Công bằng mà nói, các công ty khởi nghiệp mới nổi và các gã khổng lồ công nghệ đều đã hứa sẽ sớm xây dựng máy tính với hàng nghìn qubit. Tuy nhiên, các máy lượng tử lớn hơn có xu hướng có khả năng kết nối thấp hơn , điều đó có nghĩa là các qubit không thể giao tiếp với nhau tốt như vậy. Việc thiếu kết nối này làm giảm sức mạnh tính toán tổng thể của hệ thống.

Cuối cùng, máy lượng tử khá dễ bị lỗi. Những lỗi tính toán này vốn có trong các hệ thống lượng tử và không thể tránh được. Đó là lý do tại sao rất nhiều vốn và tài năng đang được đổ vào phát hiện lỗi lượng tử, phát triển các cách để chế tạo máy móc có thể nhận ra lỗi của chính chúng và sửa chúng. Mặc dù đã có những tiến bộ to lớn trong lĩnh vực này, nhưng không có khả năng lỗi lượng tử sẽ biến mất hoàn toàn. Ngay cả với máy tính lượng tử có độ chính xác cao, việc xác minh kết quả cuối cùng bằng máy tính cổ điển vẫn là điều cần thiết.

Chờ đợi sự gián đoạn

Thêm những hạn chế về mặt kỹ thuật của máy tính lượng tử vào nhiệt độ siêu lạnh cần thiết để lưu trữ phần cứng, và bạn bắt đầu hiểu tại sao hầu hết các công ty vẫn còn ngần ngại đầu tư vào máy tính lượng tử cho đến thời điểm hiện tại. Tuy nhiên, trong một số ngành, máy tính lượng tử có thể trở nên khả thi về mặt kinh tế ngay cả khi nó giải quyết một vấn đề "chỉ" nhanh hơn 1.000 lần so với máy tính cổ điển. Điều này bao gồm các lĩnh vực như tài chính, dược phẩm và mật mã.

Do đó, có thể các công ty sẽ áp dụng hệ thống lượng tử từng chút một khi chúng mang lại lợi ích kinh tế ngày càng tăng. Trong thời gian này, máy tính cổ điển sẽ vẫn có liên quan, thậm chí là quan trọng, để duy trì nguyên trạng. Ít công ty nào đầu tư lớn vào những ngày đầu này, nghĩa là máy tính cổ điển vẫn sẽ đảm nhiệm phần lớn công việc trong ngành.

Mặt khác, các khoản đầu tư lớn, dù có vẻ rủi ro như thế nào, cũng sẽ trở thành động lực thúc đẩy những đột phá thực sự trong việc áp dụng máy tính lượng tử. Những sự gián đoạn như vậy đặc biệt đáng chú ý trong hai lĩnh vực: phát triển thuốc và mật mã. Hai lĩnh vực này phát triển mạnh nhờ năng lực tính toán khổng lồ mà máy lượng tử có thể cung cấp theo những cách chưa từng có.

Nơi Lượng tử sẽ Phát triển mạnh mẽ — và Cổ điển sẽ Giúp ích

Không phải tất cả các ngành công nghiệp đều hưởng lợi từ điện toán lượng tử theo cùng một cách. Theo McKinsey , có bốn lĩnh vực mà điện toán lượng tử có thể mang lại lợi nhuận dài hạn to lớn. Tuy nhiên, điện toán cổ điển sẽ vẫn có liên quan trong các lĩnh vực này và bổ sung cho các lợi ích của công nghệ lượng tử.

• Phát triển thuốc :  Mô phỏng tính toán các phân tử thuốc là điều cần thiết vì chúng cắt giảm chi phí và thời gian, đôi khi là đáng kể. Tuy nhiên, ngày nay, loại mô phỏng này chỉ có thể thực hiện được với các phân tử tương đối nhỏ. Tuy nhiên, nếu các công ty quan tâm đến protein, thường có hàng nghìn thành phần, họ cần sản xuất chúng và thử nghiệm các đặc tính của chúng trong đời thực vì các nguồn lực tính toán hiện nay không đủ để thực hiện mô phỏng chính xác. Mô phỏng lượng tử có thể giảm đáng kể chi phí phát triển và giúp đưa thuốc ra thị trường nhanh hơn. Tuy nhiên, vì điện toán lượng tử luôn trả về một loạt các khả năng, nên cấu trúc phân tử tối ưu của thuốc vẫn cần được xác nhận bằng máy tính cổ điển.
   
• Các vấn đề tối ưu hóa :  Vị trí đặt thiết bị hiệu quả nhất trong nhà máy là gì? Cách tốt nhất để triển khai xe cộ để đảm bảo mạng lưới giao thông hiệu quả là gì? Chiến lược đầu tư tốt nhất để có lợi nhuận tối ưu trong năm, 10 hoặc 30 năm là gì? Đây là những vấn đề phức tạp mà câu trả lời tốt nhất không phải lúc nào cũng rõ ràng. Với máy tính lượng tử, người ta có thể thu hẹp đáng kể các khả năng và sau đó sử dụng máy tính cổ điển để có được câu trả lời đơn giản. Những vấn đề này xuất hiện rất nhiều trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ sản xuất đến vận tải đến tài chính.
   
• Trí tuệ nhân tạo lượng tử : Hàng tỷ đô la đang được đầu tư vào các phương tiện tự hành. Mục đích là làm cho các phương tiện trở nên thông minh đến mức có thể phù hợp với những con đường đông đúc ở bất kỳ đâu trên Trái đất. Mặc dù có rất nhiều tài năng đang làm việc để đào tạo các thuật toán AI học cách lái xe, nhưng tai nạn vẫn là một vấn đề. AI lượng tử, có thể nhanh hơn và mạnh hơn nhiều so với các phương pháp hiện tại, có thể giúp giải quyết vấn đề này. Tuy nhiên, những lợi ích có thể chỉ được gặt hái trong một thập kỷ kể từ bây giờ, vì AI lượng tử hiện nay kém phát triển hơn nhiều so với mô phỏng lượng tử hoặc mật mã. Do đó, phần lớn các thuật toán AI sẽ tiếp tục được triển khai trên các máy tính cổ điển. Mặc dù còn quá sớm để dự đoán một cách tự tin ngay bây giờ, nhưng không phải là không thể nghĩ rằng hầu hết AI sẽ là lượng tử trong một vài thập kỷ nữa.
   
• Mật mã :  Các giao thức bảo mật ngày nay dựa vào các số ngẫu nhiên và phân tích số theo chiều cao mà máy tính cổ điển có thể tính toán để tạo mật khẩu nhưng hiếm khi giải được để bẻ khóa mật khẩu. Tuy nhiên, trong vài năm nữa, máy tính lượng tử có thể mạnh đến mức có thể bẻ khóa bất kỳ mật khẩu nào . Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu phải bắt đầu đầu tư vào mật mã mới, an toàn lượng tử. Tuy nhiên, công nghệ lượng tử là con dao hai lưỡi, theo nghĩa là nó không chỉ bẻ khóa mọi mật khẩu mà còn có thể tạo ra các khóa mật mã mới, không thể bẻ khóa. Không gian đang chuyển động nhanh chóng để kết hợp thực tế mới này. Vì máy tính cổ điển sẽ vẫn có liên quan, nên mật mã an toàn lượng tử cũng phải tồn tại cho những máy tính này. Điều này là có thể và các công ty đã bắt đầu bảo mật dữ liệu của họ trên máy tính cổ điển theo cách này.

Chuẩn bị cho tương lai lượng tử

Google, IBM và nhiều công ty khởi nghiệp khác đang hy vọng sẽ tăng gấp đôi năng lực tính toán lượng tử của họ mỗi năm. Điều này có nghĩa là một số công ty cần phải đi theo bước chân của Barclays, BASF, BMW, Dow và ExxonMobil, những công ty đã hoạt động trong công nghệ lượng tử.

Rõ ràng, không phải mọi lĩnh vực đều có khả năng hưởng lợi theo cùng một cách. Các lĩnh vực như dược phẩm, tài chính, du lịch, hậu cần, năng lượng toàn cầu và vật liệu có thể hưởng lợi sớm hơn những lĩnh vực khác. Điều này cũng có nghĩa là những người chơi trong các lĩnh vực này cần phải nhanh chóng chuẩn bị nếu không muốn bị các đối thủ cạnh tranh bỏ lại phía sau.

Nếu điều này có ý nghĩa chiến lược, các công ty trong các lĩnh vực này nên noi theo những người đi đầu như Barclays hoặc ExxonMobil và xây dựng một đội ngũ nhân tài lượng tử tại chỗ. Những nhân tài như vậy hiện đang khan hiếm và rất khó có khả năng các trường đại học có thể theo kịp nhu cầu đang mở rộng. Một giải pháp thay thế là họ có thể cân nhắc hợp tác trực tiếp với các công ty đang phát triển công nghệ lượng tử, điều này có thể mang lại cho họ lợi thế cạnh tranh trong tương lai.

Tất nhiên, điều này không có nghĩa là các công ty này sẽ ngừng sử dụng máy tính cổ điển. Thay vào đó, máy tính lượng tử sẽ mang lại cho họ những lợi ích to lớn trong các nhiệm vụ cụ thể, chẳng hạn như phát triển thuốc, kỹ thuật tài chính, v.v.

Ngược lại với các công ty sẽ được hưởng lợi từ sự xuất hiện của công nghệ lượng tử, những công ty khác sẽ phải đầu tư vào các cách để tránh xa công nghệ này. Cụ thể, các công ty có tài sản dữ liệu tồn tại lâu dài nên bắt đầu đầu tư vào mật mã an toàn lượng tử để bảo vệ mình khỏi các cuộc tấn công trong tương lai. Điều này không có nghĩa là họ cần sử dụng máy tính lượng tử trong thời gian tới, nhưng họ nên đảm bảo rằng mình an toàn trước các cuộc tấn công lượng tử trong tương lai. Các lĩnh vực liên quan bao gồm từ kỹ thuật hàng không vũ trụ đến phát triển dược lý đến dữ liệu kinh tế xã hội để nghiên cứu thị trường.

Tóm lại, các công ty trong nhiều lĩnh vực khác nhau cần phải chuẩn bị. Một số vì họ sẽ được hưởng lợi từ lượng tử nếu họ áp dụng nó, những công ty khác vì họ cần phải đi trước mối đe dọa. Dù bằng cách nào, các công ty không nắm bắt được sức mạnh của sự kết hợp lượng tử-cổ điển mới này có nguy cơ bị tụt hậu.

Máy tính lượng tử sẽ không thống trị thế giới. Nhưng nó sẽ có tác động lớn trong một hoặc hai thập kỷ tới bằng cách hoạt động hoàn toàn phối hợp với máy tính cổ điển.