Trong suốt chiều dài lịch sử, công nghệ được sinh ra từ
trí tuệ loài người, lửa và gậy gộc.
Khi lửa và gậy gộc biến thành nhà máy điện và vũ khí hạt nhân,
não bộ chúng ta đã đạt được bước tiến bộ vĩ đại nhất.
Từ thập kỷ 60, sức mạnh trí tuệ nhân loại tăng lên theo cấp số nhân,
làm ra những cỗ máy nhỏ dần, đồng thời ngày càng mạnh mẽ.
Nhưng quá trình này sắp đến giới hạn về mặt vật lý.
Bộ phận máy tính đang đạt đến kích cỡ của một nguyên tử.
Để hiểu được vì sao đây là một vấn đề, ta cần biết khái niệm cơ bản.
Một máy tính được làm bởi nhiều bộ phận đơn giản, làm những việc đơn giản,
lưu trữ, xử lý dữ liệu và điều khiển các bộ phận.
Các chip máy tính gồm các module,
mang theo các cổng logic, gồm các transistor.
Transistor là bộ phận cơ bản nhất trong việc xử lý dữ liệu,
về cơ bản, nó là một công tắc để mở hoặc đóng
lối đi của thông tin.
Thông tin được sử dụng dưới dạng bit, có thể nhận giá trị 0 hoặc 1.
Chuỗi nhiều bit được dùng để đại diện cho các thông tin phức tạp hơn.
Transistor là tập hợp các cổng logic, mỗi cổng có chức năng rất đơn giản.
Ví dụ, một cổng AND sẽ trả về kết quả là 1 nếu mọi đầu vào là 1
và trả về 0 trong tất cả các trường hợp còn lại
Kết hợp các cổng logic sẽ đem lại các module tính toán thực tế hơn,
ví dụ như là phép cộng hai số.
Khi có thể cộng, bạn có thể nhân, và khi có thể nhân,
bạn cơ bản là làm được mọi thứ.
Mọi hoạt động thực tế dễ dàng hơn toán lớp 1 theo đúng nghĩa đen,
nên bạn có thể tưởng tượng máy tính giống như một lớp học
đang giải các bài toán đơn giản.
Với số lượng đủ lớn, chúng có thể tính toán ra mọi thứ.
Tuy nhiên, khi các bộ phận ngày càng nhỏ và mỏng,
vật lý lượng tử khiến mọi thứ trở nên khó hơn.
Cụ thể hơn, một transistor chỉ đơn giản là một công tắc điện.
Điện là đường dịch chuyển của electron từ nơi này sang nơi khác,
vì thế công tắc là cánh cổng để ngăn electron di chuyển theo một hướng.
Ngày nay, kích cỡ một transistor vào khoảng 14 nm,
tức là nhỏ hơn đường kính virus HIV 8 lần,
nhỏ hơn hồng cầu 500 lần.
Một transistor đang gần đạt kích cỡ của một nguyên tử,
electron có thể chỉ cần dịch chuyển xuyên qua "cánh cổng" này
thông qua một "đường hầm lượng tử".
Về mặt lượng tử, vật lý hoạt động khá khác so với
những gì ta từng được làm quen,
và máy tính truyền thống khồng còn phù hợp nữa.
Chúng ta đang tiến tới rào cản vật lý trong việc phát triển công nghệ.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học
đang thử nghiệm các tính chất lượng tử bất thường
bằng cách xây dựng máy tính lượng tử.
Trong máy tính thông thường, bit là đơn vị nhỏ nhất của thông tin.
Máy tính lượng tử sử dụng qubit, đơn vị cũng có thể đặt là một trong hai giá trị.
Một qubit có thể là hệ hai trạng thái lượng tử,
giống như là một spin trong từ trường hoặc là một photon đơn lẻ.
0 và 1 là các trạng thái của hệ thống,
giống như photon phân cực theo chiều ngang hoặc dọc.
Trong thế giới lượng thử, qubit không cần phải là 0 hoặc 1;
nó có thể là cả hai với một tỉ lệ nhất định.
Đây là nguyên lý chồng chập.
Nhưng cho đến khi kiểm tra giá trị, ví dụ như đưa photon vào một màng lọc,
nó sẽ phải chọn là phân cực dọc hoặc ngang.
Vì thế, khi không ai để ý, qubit có thể là sự chồng chập các khả năng
có giá trị 1 và 0, và bạn không thể đoán nó sẽ về giá trị nào.
Nhưng ngay khi bạn tính đến nó, nó sẽ ngay lập tức về chỉ một giá trị.
Nguyên lý chồng chập chính là bước ngoặt.
4 bit cổ điển có thể là một trong
2^4 giá trị tại một thời điểm.
Nghĩa là với 16 giá trị cho phép, bạn chỉ dùng được một.
4 qubit với chồng chập
có thể trở thành 16 giá trị cùng một lúc!
Con số này tăng theo cấp số nhân với từng qubit được thêm vào.
20 qubit có thể lưu trữ hơn một triệu giá trị song song nhau.
Kỳ lạ hơn, qubit có một tính chất rất dị
là rối lượng tử, một kết nối giữa các qubit
khiến cho trạng thái qubit này đổi dựa vào qubit còn lại,
không quan trọng khoảng cách giữa chúng.
Đồng nghĩa với việc chỉ cần tính một qubit
chúng ta có thể suy ra qubit còn lại mà không cần tính đến nó.
Vận dụng qubit cũng rất hại não.
Một cổng logic thông thường cần một nhóm đầu vào
vừa đưa ra một giá trị trả về duy nhất.
Một cổng lượng tử sử dụng một đầu vào là kiểu chồng chập,
biến đổi các khả năng, và trả về một kiểu chồng chập khác.
Vì thế một máy tính lượng tử cài đặt qubit và sử dụng các cổng lượng tử để làm rối
và vận dụng các khả năng để có thể tính toán đầu ra,
xem xét sự chồng chập để cuối cùng có được một chuỗi số 0 và 1.
Đồng nghĩa với việc bạn có thể tính toán rất nhiều phép tính
phù hợp với thiết lập bạn đề ra trong cùng một lúc.
Đương nhiên bạn chỉ nhận được một kết quả
và đó chưa chắc là kết quả bạn cần,
vì thế bạn cần kiểm tra lại và thử lại nếu cần.
Nhưng nếu khai thác khả năng chồng chập và rối lượng tử,
việc này có thể hiệu quả hơn rất rất nhiều
so với làm việc tương tự trên máy tính thông thường.
Vậy nên, trong khi máy tính lượng tử chưa thể thay thế máy tính trong nhà,
nó có thể vô cùng hữu dụng ở một số mảng.
Một trong số đó là tìm dữ liệu.
Để tìm dữ liệu nào đó,
một máy tính phải kiểm tra tất cả các mục trong một thời gian.
Thuật toán lượng tử chỉ cần căn bậc hai thời gian trên,
mà nếu là cơ sở dữ liệu lớn, đó là một sự khác biệt rõ ràng.
Thuật toán lượng tử rất nổi tiếng trong lĩnh vực phá bảo mật thông tin.
Hiện tại, trình duyệt, email và tài khoản ngân hàng
của bạn được bảo mật bằng hệ thống mã hóa, cấp cho mọi người
một khóa công khai để mã hóa một tin nhắn mà chỉ bạn có thể giải mã.
Vấn đề ở chỗ khóa công khai có thể sử dụng
để tính ra khóa cá nhân bí mật của bạn.
May là việc đó nếu làm trên máy tính thông thường
cần hàng năm trời thử các giá trị.
Nhưng máy tính lượng tử với tốc độ bá đạo
có thể làm rất nhanh chóng.
Một ứng dụng thú vị khác là mô phỏng.
Mô phỏng thế giới lượng tử cần nguồn tài nguyên rất lớn,
thậm chí với các cấu trúc lớn, như là phân tử,
chúng thường thiếu chính xác.
Vậy nên tại sao không mô phỏng lượng tử bằng chính vật lý lượng tử?
Mô phỏng lượng tử có thể đem lại hiểu biết mới về protein,
tạo ra cuộc cách mạng về dược phẩm.
Hiện tại ta không thể biết liệu máy tính lượng thử sẽ
là một công cụ chuyên biệt hay là cuộc cách mạng nhân loại.
Chúng ta không thể biết giới hạn của công nghệ,
và chỉ có duy nhất một cách để biết được!
Video được hỗ trợ bởi Học viện Khoa học Australia,
nơi chắp cánh và hỗ trợ cho ngành khoa học một cách tuyệt vời.
Tìm hiểu thêm về ượng tử và các vấn đề khác
tại .
Một hân hạnh lớn khi làm việc cùng họ, vì thế hãy thăm họ!
Video của chúng tôi được hoàn thành nhờ hỗ trợ của các bạn trên Patreon.com.
Nếu muốn hỗ trợ thêm và trở thành thành viên của binh đoàn chim Kurzgesagt,
hãy thăm Patreon của Kurzgesagt!
Sub by Phú Trần - gpaddy.com