Chuyển đổi kỹ thuật số đang thay đổi thế giới nhanh hơn bao giờ hết. Việc tìm hiểu về các khái niệm quan trọng của thời đại kỹ thuật số sẽ càng trở nên quan trọng hơn khi sắp có sự xuất hiện của một làn sóng công nghệ mới khác có khả năng biến đổi các mô hình hiện có với tốc độ và sức mạnh đáng kinh ngạc: điện toán lượng tử.
Trong bài viết này, chúng tôi so sánh các khái niệm cơ bản của điện toán truyền thống và điện toán lượng tử, đồng thời bắt đầu khám phá ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác nhau.
Tính chất lượng tử là gì?
Trong suốt lịch sử, con người đã phát triển công nghệ khi họ hiểu được hoạt động của tự nhiên thông qua khoa học. Giữa những năm 1900 và 1930, việc nghiên cứu một số hiện tượng vật lý chưa được hiểu rõ đã làm nảy sinh một lý thuyết vật lý mới: Cơ học lượng tử. Lý thuyết này mô tả và giải thích hoạt động của thế giới vi mô, môi trường sống tự nhiên của các phân tử, nguyên tử và electron.
Nó không chỉ giải thích được những hiện tượng này mà còn có thể hiểu rằng thực tại hạ nguyên tử hoạt động theo cách hoàn toàn phản trực giác, gần như là phép thuật, và rằng các sự kiện diễn ra trong thế giới vi mô không xảy ra trong thế giới vĩ mô.
Các thuộc tính lượng tử này bao gồm chồng chất lượng tử, rối lượng tử và dịch chuyển lượng tử.
- Sự chồng chất lượng tử mô tả cách một hạt có thể ở các trạng thái khác nhau cùng một lúc.
- Rối lượng tử mô tả cách hai hạt có thể được đưa đến trạng thái “vướng víu” và sau đó, phản ứng gần như đồng thời theo cùng một cách, bất chấp khoảng cách vật lý của chúng. Nói cách khác, chúng có thể được đặt cách xa nhau như mong muốn, và khi tương tác với cái này, cái kia sẽ phản ứng với chính tương tác đó.
- Chuyển dịch lượng tử sử dụng rối lượng tử để gửi thông tin từ nơi này trong không gian đến nơi khác mà không cần phải đi xuyên không gian.
Tính toán lượng tử dựa trên các thuộc tính lượng tử này của bản chất hạ nguyên tử.
Trong trường hợp này, sự hiểu biết ngày nay về thế giới vi mô thông qua Cơ học lượng tử cho phép chúng ta phát minh và thiết kế các công nghệ có khả năng cải thiện cuộc sống của con người. Có nhiều công nghệ khác nhau sử dụng các hiện tượng lượng tử, và một số trong số đó, chẳng hạn như laser hoặc chụp cộng hưởng từ (MRI), đã có hơn nửa thế kỷ.
Điện toán lượng tử là gì?
Để hiểu máy tính lượng tử hoạt động như thế nào, trước tiên cần giải thích cách máy tính chúng ta sử dụng hàng ngày, được gọi là máy tính kỹ thuật số hoặc máy tính cổ điển, hoạt động như thế nào trong bài viết này. Những thiết bị này, giống như tất cả các thiết bị điện tử khác như máy tính bảng hoặc điện thoại di động, sử dụng bit làm đơn vị bộ nhớ cơ bản của chúng. Điều này có nghĩa là các chương trình và ứng dụng được mã hóa theo từng bit, tức là bằng ngôn ngữ nhị phân gồm các số không và số một.
Mỗi khi chúng ta tương tác với bất kỳ thiết bị nào trong số này, chẳng hạn bằng cách nhấn một phím trên bàn phím, các chuỗi số không và chuỗi số không được tạo, hủy và / hoặc sửa đổi trong máy tính.
Câu hỏi thú vị là, những số không này và những số không vật lý bên trong máy tính là gì? Trạng thái không và một của các bit tương ứng với dòng điện chạy qua, hoặc không, qua các bộ phận cực nhỏ gọi là bóng bán dẫn, hoạt động như công tắc. Khi không có dòng điện nào chạy qua, bóng bán dẫn “tắt” và tương ứng với bit 0, và khi có dòng chảy, bóng bán dẫn “bật” và tương ứng với bit 1.
Ở một dạng đơn giản hơn, nó giống như thể các bit 0 và 1 tương ứng với các lỗ, do đó, một lỗ trống là bit 0 và một lỗ trống được chiếm bởi một điện tử là bit 1. Bây giờ chúng ta đã có ý tưởng về cách máy tính ngày nay hoạt động. , chúng ta hãy cố gắng hiểu cách máy tính lượng tử hoạt động.
Từ bit đến qubit
Đơn vị cơ bản của thông tin trong tính toán lượng tử là bit lượng tử hoặc qubit. Theo định nghĩa, qubit là hệ thống lượng tử hai cấp, giống như các bit, có thể ở mức thấp, tương ứng với trạng thái kích thích thấp hoặc năng lượng được định nghĩa là 0; hoặc ở mức cao, tương ứng với trạng thái kích thích cao hơn hoặc được định nghĩa là 1.
Tuy nhiên, và đây là điểm khác biệt cơ bản với tính toán cổ điển, qubit cũng có thể ở bất kỳ trạng thái trung gian vô hạn nào giữa 0 và 1, chẳng hạn như trạng thái nửa 0 và nửa 1, hoặc ba phần tư 0 và một phần tư. của 1. Hiện tượng này được gọi là chồng chất lượng tử và là tự nhiên trong các hệ lượng tử.
Thuật toán lượng tử: Tính toán mạnh mẽ và hiệu quả hơn theo cấp số nhân
Mục đích của máy tính lượng tử là tận dụng các đặc tính lượng tử này của qubit, như là hệ thống lượng tử, để có thể chạy các thuật toán lượng tử sử dụng sự chồng chất và rối để cung cấp sức mạnh xử lý lớn hơn nhiều so với các thuật toán cổ điển.
Điều quan trọng là chỉ ra rằng sự thay đổi mô hình thực sự không bao gồm việc làm giống như các máy tính kỹ thuật số hoặc máy tính cổ điển - những máy tính hiện tại - làm, nhưng nhanh hơn, như nhiều bài báo tuyên bố sai, mà là các thuật toán lượng tử cho phép một số hoạt động nhất định. thực hiện theo một cách hoàn toàn khác; điều đó thường hiệu quả hơn-nghĩa là, trong thời gian ngắn hơn nhiều hoặc sử dụng ít tài nguyên tính toán hơn nhiều-.
Hãy xem một ví dụ cụ thể về những gì điều này ngụ ý. Hãy tưởng tượng rằng chúng tôi đang ở San Francisco và chúng tôi muốn biết tuyến đường nào tốt nhất đến New York trong số một triệu lựa chọn để đến đó (N = 1,000,000). Để có thể sử dụng máy tính để tìm ra con đường tối ưu, chúng ta cần số hóa 1,000,000 phương án, nghĩa là dịch chúng sang ngôn ngữ bit cho máy tính cổ điển và thành qubit cho máy tính lượng tử.
Trong khi một máy tính cổ điển cần phải đi qua tất cả các con đường một cho đến khi nó tìm thấy con đường mong muốn, một máy tính lượng tử tận dụng một quá trình được gọi là song song lượng tử cho phép nó, về cơ bản, xem xét tất cả các con đường cùng một lúc. Điều này ngụ ý rằng máy tính lượng tử sẽ tìm ra con đường tối ưu nhanh hơn nhiều so với máy tính cổ điển, do việc tối ưu hóa các tài nguyên được sử dụng.
Để hiểu sự khác biệt về khả năng tính toán, với n qubit, chúng ta có thể làm tương đương với những gì có thể với 2n chút ít. Người ta thường nói rằng với khoảng 270 qubit bạn có thể có nhiều trạng thái cơ bản hơn trong một máy tính lượng tử - nhiều chuỗi ký tự khác nhau và đồng thời hơn - so với số nguyên tử trong vũ trụ, được ước tính là khoảng 280. Một ví dụ khác là người ta ước tính rằng với một máy tính lượng tử từ 2000 đến 2500 qubit, bạn có thể phá vỡ thực tế tất cả các mật mã được sử dụng ngày nay (được gọi là mật mã khóa công khai).
Về mặt tiền mã hóa, có rất nhiều lợi ích khi sử dụng Tính toán lượng tử. Nếu hai hệ thống hoàn toàn vướng vào nhau, điều đó có nghĩa là chúng có tương quan với nhau (tức là khi một hệ thống thay đổi thì hệ thống kia cũng thay đổi theo) và không có bên thứ ba nào chia sẻ mối tương quan này.
Lấy đi
Chúng ta đang ở trong thời kỳ chuyển đổi kỹ thuật số, trong đó các công nghệ mới nổi khác nhau như blockchain, trí tuệ nhân tạo, máy bay không người lái, Internet vạn vật, thực tế ảo, 5G, máy in 3D, rô bốt hoặc xe tự trị ngày càng hiện diện trong nhiều lĩnh vực và lĩnh vực.
Những công nghệ này, được thiết lập để cải thiện chất lượng cuộc sống của con người bằng cách tăng tốc phát triển và tạo ra tác động xã hội, hiện đang tiến bộ song song. Chỉ hiếm khi chúng ta thấy các công ty phát triển các sản phẩm khai thác sự kết hợp của hai hoặc nhiều công nghệ này, chẳng hạn như blockchain và IoT hoặc máy bay không người lái và trí tuệ nhân tạo.
Mặc dù chúng được định sẵn để hội tụ và do đó tạo ra tác động lớn hơn theo cấp số nhân, nhưng giai đoạn phát triển ban đầu của chúng và sự khan hiếm của các nhà phát triển và những người có kiến thức kỹ thuật có nghĩa là việc hội tụ vẫn là một nhiệm vụ đang chờ xử lý.
Do tiềm năng phá vỡ của chúng, các công nghệ lượng tử được kỳ vọng không chỉ hội tụ với tất cả các công nghệ mới này mà còn có ảnh hưởng rộng rãi đến hầu như tất cả chúng. Tính toán lượng tử sẽ đe dọa đến việc xác thực, trao đổi và lưu trữ an toàn dữ liệu, có tác động lớn hơn đến những công nghệ trong đó mật mã đóng vai trò phù hợp hơn, chẳng hạn như an ninh mạng hoặc blockchain.
Bình luận