Máy tính lượng tử sẽ thay đổi thế giới như thế nào: Tương lai của Máy tính P7

Có rất nhiều lời thổi phồng xung quanh ngành công nghiệp máy tính nói chung, tập trung vào một công nghệ cụ thể có tiềm năng thay đổi mọi thứ: máy tính lượng tử. Mang tên công ty của chúng tôi, chúng tôi sẽ thừa nhận sự thiên vị trong xu hướng tăng giá của chúng tôi đối với công nghệ này và trong suốt chương cuối cùng của loạt bài về Tương lai của Máy tính, chúng tôi hy vọng sẽ chia sẻ với bạn lý do tại sao lại như vậy.

Ở cấp độ cơ bản, máy tính lượng tử mang lại cơ hội để thao tác thông tin theo một cách cơ bản khác. Trên thực tế, một khi công nghệ này trưởng thành, những máy tính này sẽ không chỉ giải quyết các vấn đề toán học nhanh hơn bất kỳ máy tính nào đang tồn tại mà còn bất kỳ máy tính nào được dự báo sẽ tồn tại trong vài thập kỷ tới (giả sử định luật Moore là đúng). Trên thực tế, tương tự như cuộc thảo luận của chúng ta về siêu máy tính trong chương cuối cùng của chúng tôi, các máy tính lượng tử trong tương lai sẽ cho phép nhân loại giải quyết những câu hỏi lớn hơn bao giờ hết có thể giúp chúng ta hiểu biết sâu sắc hơn về thế giới xung quanh.

Máy tính lượng tử là gì? Cường điệu sang một bên, máy tính lượng tử khác máy tính tiêu chuẩn như thế nào? Và chúng hoạt động như thế nào?

Đối với những người học trực quan, chúng tôi khuyên bạn nên xem video ngắn, vui nhộn này từ nhóm YouTube Kurzgesagt về chủ đề này:

Trong khi đó, đối với độc giả của chúng tôi, chúng tôi sẽ cố gắng hết sức để giải thích máy tính lượng tử mà không cần bằng cấp vật lý.

Đối với người mới bắt đầu, chúng ta cần nhớ lại rằng đơn vị cơ bản của quá trình máy tính thông tin là một chút. Các bit này có thể có một trong hai giá trị: 1 hoặc 0, bật hoặc tắt, có hoặc không. Nếu bạn kết hợp đủ các bit này với nhau, thì bạn có thể biểu diễn các số có kích thước bất kỳ và thực hiện tất cả các cách tính toán trên chúng, hết cách này đến cách khác. Chip máy tính càng lớn hoặc càng mạnh thì bạn có thể tạo và áp dụng các phép tính càng lớn, đồng thời bạn có thể chuyển từ phép tính này sang phép tính khác càng nhanh.

Máy tính lượng tử khác nhau theo hai cách quan trọng.

Đầu tiên, là lợi thế của “chồng chất”. Trong khi máy tính truyền thống hoạt động với bit, máy tính lượng tử hoạt động với qubit. Hiệu ứng chồng chất qubit cho phép là thay vì bị giới hạn ở một trong hai giá trị có thể (1 hoặc 0), một qubit có thể tồn tại dưới dạng hỗn hợp của cả hai. Tính năng này cho phép máy tính lượng tử hoạt động hiệu quả hơn (nhanh hơn) so với máy tính truyền thống.

Thứ hai, là lợi thế của “sự vướng víu”. Hiện tượng này là một hành vi vật lý lượng tử duy nhất liên kết số phận của một số lượng các hạt khác nhau, do đó những gì xảy ra với một hạt sẽ ảnh hưởng đến những hạt khác. Khi được áp dụng cho máy tính lượng tử, điều này có nghĩa là chúng có thể thao tác đồng thời tất cả các qubit của chúng — nói cách khác, thay vì thực hiện một loạt các phép tính lần lượt, một máy tính lượng tử có thể thực hiện tất cả chúng cùng một lúc.

Cuộc đua chế tạo máy tính lượng tử đầu tiên Tiêu đề này hơi bị nhầm lẫn. Các công ty hàng đầu như Microsoft, IBM và Google đã tạo ra những máy tính lượng tử thử nghiệm đầu tiên, nhưng những nguyên mẫu ban đầu này chỉ có ít hơn hai chục qubit trên mỗi chip. Và trong khi những nỗ lực ban đầu này là một bước đầu tiên tuyệt vời, các công ty công nghệ và bộ phận nghiên cứu của chính phủ sẽ cần phải xây dựng một máy tính lượng tử có ít nhất 49 đến 50 qubit để quảng cáo cường điệu đáp ứng được tiềm năng trong thế giới thực theo lý thuyết của nó.

Để đạt được mục tiêu này, có một số phương pháp đang được thử nghiệm để đạt được cột mốc 50 qubit này, nhưng có hai phương pháp đứng trên tất cả các phương pháp.

Trong một trại, Google và IBM đặt mục tiêu phát triển một máy tính lượng tử bằng cách biểu diễn qubit dưới dạng dòng điện chạy qua các dây siêu dẫn được làm mát đến –273.15 độ C, hoặc bằng không tuyệt đối. Sự hiện diện hay vắng mặt của dòng điện là 1 hoặc 0. Lợi ích của phương pháp này là các dây hoặc mạch siêu dẫn này có thể được chế tạo từ silicon, một vật liệu mà các công ty bán dẫn đã có hàng chục năm kinh nghiệm làm việc.

Cách tiếp cận thứ hai, do Microsoft dẫn đầu, liên quan đến các ion bị mắc kẹt được giữ cố định trong một buồng chân không và được điều khiển bằng tia laser. Các điện tích dao động hoạt động như qubit, sau đó được sử dụng để xử lý các hoạt động của máy tính lượng tử.

Chúng ta sẽ sử dụng máy tính lượng tử như thế nào Được rồi, gạt lý thuyết sang một bên, chúng ta hãy tập trung vào các ứng dụng trong thế giới thực mà các máy tính lượng tử này sẽ có trên thế giới và cách các công ty và mọi người tương tác với nó.

Bài toán logic và tối ưu hóa. Trong số những cách sử dụng tức thời và có lợi nhất cho máy tính lượng tử sẽ là tối ưu hóa. Đối với các ứng dụng chia sẻ chuyến đi, như Uber, đâu là tuyến đường nhanh nhất để đón và trả nhiều khách nhất có thể? Đối với những gã khổng lồ thương mại điện tử, như Amazon, cách tiết kiệm chi phí nhất để phân phối hàng tỷ gói hàng trong đợt cao điểm mua quà tặng vào dịp lễ là gì?

Những câu hỏi đơn giản này liên quan đến việc giải mã hàng trăm đến hàng nghìn biến cùng một lúc, một kỳ tích mà các siêu máy tính hiện đại không thể xử lý được; vì vậy, thay vào đó, họ tính toán một tỷ lệ phần trăm nhỏ của các biến đó để giúp các công ty này quản lý nhu cầu hậu cần của họ theo cách ít tối ưu hơn. Nhưng với một máy tính lượng tử, nó sẽ cắt xuyên qua hàng núi các biến số mà không cần đổ mồ hôi.

Thời tiết và khí hậu làm mẫu. Tương tự như điểm trên, lý do tại sao kênh thời tiết đôi khi bị sai là do có quá nhiều biến số môi trường để siêu máy tính của họ xử lý (điều đó và đôi khi thu thập dữ liệu thời tiết kém). Nhưng với một máy tính lượng tử, các nhà khoa học thời tiết không chỉ có thể dự báo hoàn hảo các kiểu thời tiết trong thời gian ngắn mà còn có thể tạo ra các đánh giá khí hậu dài hạn chính xác hơn để dự đoán tác động của biến đổi khí hậu.

Y học cá nhân. Việc giải mã DNA và hệ vi sinh vật độc đáo của bạn là rất quan trọng để các bác sĩ tương lai kê đơn các loại thuốc hoàn toàn phù hợp với cơ thể bạn. Trong khi các siêu máy tính truyền thống đã đạt được những bước tiến trong việc giải mã DNA một cách hiệu quả về mặt chi phí, thì hệ vi sinh vật còn vượt xa tầm với của chúng — nhưng không phải vậy đối với các máy tính lượng tử trong tương lai.

Máy tính lượng tử cũng sẽ cho phép Big Pharma dự đoán tốt hơn cách các phân tử khác nhau phản ứng với thuốc của họ, do đó tăng tốc đáng kể việc phát triển dược phẩm và hạ giá thành.

Thám hiểm không gian. Các kính viễn vọng không gian của ngày hôm nay (và ngày mai) thu thập một lượng lớn dữ liệu hình ảnh chiêm tinh mỗi ngày để theo dõi chuyển động của hàng nghìn tỷ thiên hà, ngôi sao, hành tinh và tiểu hành tinh. Đáng buồn thay, đây là quá nhiều dữ liệu mà các siêu máy tính ngày nay phải sàng lọc để đưa ra những khám phá có ý nghĩa một cách thường xuyên. Nhưng với một máy tính lượng tử trưởng thành kết hợp với máy học, tất cả dữ liệu này cuối cùng có thể được xử lý hiệu quả, mở ra cánh cửa cho việc khám phá hàng trăm đến hàng nghìn hành tinh mới hàng ngày vào đầu những năm 2030.

Khoa học cơ bản. Tương tự như những điểm trên, sức mạnh tính toán thô mà những máy tính lượng tử này cho phép sẽ cho phép các nhà khoa học và kỹ sư tạo ra các hóa chất và vật liệu mới, cũng như động cơ hoạt động tốt hơn và tất nhiên, đồ chơi Giáng sinh mát mẻ hơn.

học máy. Sử dụng máy tính truyền thống, các thuật toán học máy cần một lượng lớn các ví dụ được sắp xếp và gắn nhãn (dữ liệu lớn) để học các kỹ năng mới. Với tính toán lượng tử, phần mềm học máy có thể bắt đầu học giống con người hơn, nhờ đó chúng có thể học các kỹ năng mới bằng cách sử dụng ít dữ liệu hơn, dữ liệu lộn xộn hơn, thường có ít hướng dẫn.

Ứng dụng này cũng là một chủ đề thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo (AI), vì năng lực học tập tự nhiên được cải thiện này có thể đẩy nhanh tiến độ nghiên cứu AI trong nhiều thập kỷ. Thông tin thêm về điều này trong loạt bài Tương lai của Trí tuệ nhân tạo của chúng tôi.

Encryption. Đáng buồn thay, đây là ứng dụng khiến hầu hết các nhà nghiên cứu và cơ quan tình báo lo lắng. Tất cả các dịch vụ mã hóa hiện tại đều phụ thuộc vào việc tạo mật khẩu mà một siêu máy tính hiện đại phải mất hàng nghìn năm mới có thể bẻ khóa được; máy tính lượng tử về mặt lý thuyết có thể xé toạc các khóa mã hóa này trong vòng chưa đầy một giờ.

Các dịch vụ ngân hàng, thông tin liên lạc, an ninh quốc gia, bản thân internet phụ thuộc vào sự mã hóa đáng tin cậy để hoạt động. (Ồ, và quên cả bitcoin, do sự phụ thuộc cốt lõi của nó vào mã hóa.) Nếu các máy tính lượng tử này hoạt động như quảng cáo, tất cả các ngành công nghiệp này sẽ gặp rủi ro, tệ nhất là gây nguy hiểm cho toàn bộ nền kinh tế thế giới cho đến khi chúng ta xây dựng mã hóa lượng tử để giữ tốc độ.

Bản dịch ngôn ngữ thời gian thực. Để kết thúc chương này và loạt bài này với một ghi chú bớt căng thẳng hơn, máy tính lượng tử cũng sẽ cho phép dịch ngôn ngữ thời gian thực, gần như hoàn hảo giữa hai ngôn ngữ bất kỳ, qua trò chuyện Skype hoặc thông qua việc sử dụng thiết bị âm thanh có thể đeo hoặc cấy vào tai bạn. .

Trong 20 năm nữa, ngôn ngữ sẽ không còn là rào cản đối với các hoạt động kinh doanh và giao tiếp hàng ngày. Ví dụ: một người chỉ nói tiếng Anh có thể tự tin hơn trong các mối quan hệ kinh doanh với các đối tác ở nước ngoài, nơi mà các thương hiệu tiếng Anh nếu không có khả năng thâm nhập, và khi đến thăm các nước nói trên, người này thậm chí có thể phải lòng một người nào đó. chỉ xảy ra để nói tiếng Quảng Đông.