Máy tính lượng tử: Những ứng dụng đáng gờm (bài 2)

Vừa qua, Google đã tuyên bố làm được máy tính lượng tử Sycamore tính toán siêu nhanh. Máy tính lượng tử của Google mất khoảng 200 giây (3 phút 20 giây) để thực hiện được phép toán mà IBM Summit, siêu máy tính mạnh nhất thế giới, ước tính phải mất 10.000 năm mới giải xong.

Về cơ bản, máy tính lượng tử có thể chạy (một số) phép tính nhanh hơn theo cấp số mũ so với máy tính nhị phân thông thường ngày nay. Điều này làm cho máy tính lượng tử trở nên vô cùng mạnh mẽ khi có thể giải quyết song song cả tỷ phép tính trong khi một máy tính nhị phân cổ điển chỉ có thể giải quyết lần lượt một lần.

Do vậy, trong các lĩnh vực cần tối ưu hóa thời gian xử lý, máy tính lượng tử có thể giải quyết các vấn đề mà máy tính nhị phân hiện tại chưa thể hoàn thành trong thời gian nhanh chóng. Vậy công nghệ máy tính lượng tử có thể sử áp dụng vào những khía cạnh nào, hãy cùng tìm hiểu.

Trong suốt thập kỷ qua, AI đã trải qua nhiều bước tiến với việc sử dụng các mạng lưới thần kinh là mô hình học máy dựa trên các tế bào thần kinh trong não của chúng ta. Việc mô phỏng lại mạng nơ – ron thần kinh là một thách thức rất lớn với các nhà nghiên cứu, không chỉ đơn giản là nhập dữ liệu về hình ảnh, nhận dạng giọng nói, hành vi con người mà còn phải đào tạo nó.

Việc đào tạo các mạng lưới thần kinh lớn đòi hỏi một sức mạnh tính toán khổng lồ và phải mất một thời gian rất dài. Vấn đề này có thể dễ dàng được giải quyết bằng cách sử dụng máy tính lượng tử. Máy tính lượng tử có thể giảm đáng kể thời gian để đào tạo các mạng thần kinh lớn trên các bộ dữ liệu rất lớn.

Vì lý do này, Google đang đầu tư vào nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử để tăng tốc thuật toán AI của mình. Một số mô hình mạng thần kinh đã được thử nghiệm trên máy tính lượng tử thế hệ sơ khai D-Wave và kết quả khá tốt.

Máy tính lượng tử có thể giúp việc đưa ra các dự báo về thời tiết có tỷ lệ chính xác cao hơn, đặc biệt trong việc đối phó với các cơn bão, giúp giảm thiệt hại từ các thiên tai. Giám đốc kỹ thuật của Google, Hartmut Neven, cho biết ngoài việc dự báo những hiện tượng thời tiết cụ thể thì máy tính lượng tử có thể dự báo được những xu hướng thời tiết của tương lai trong vài chục năm tới.

Theo nghiên cứu của một nhà khoa học Nga, vấn đề về độ chính xác dự báo thời tiết có thể được cải thiện bằng máy tính lượng tử. Ông đã xuất bản một bài báo vào năm 2017, trong đó cho thấy có thể tăng độ chính xác bằng cách sử dụng phương pháp phân cụm lượng tử động (DQC). Ông còn tuyên bố rằng DQC thậm chí có thể tạo ra các bộ dữ liệu để dự báo thời tiết mà các máy tính nhị phân không thể thực hiện.

Ung thư là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây tử vong trên toàn thế giới. Trên thực tế, theo một khảo sát gần đây của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), chỉ riêng ung thư đường hô hấp đã cướp đi 1,7 triệu sinh mạng trong năm 2016.

Tuy nhiên, nếu ung thư được phát hiện ở giai đoạn đầu, cơ hội phục hồi thông qua điều trị sẽ cao hơn nhiều. Hiện có hai cách điều trị ung thư: Một là, loại bỏ nó bằng phẫu thuật; hai là, thông qua xạ trị.

Trong xạ trị, xạ trị chùm tia bên ngoài là phương pháp dùng máy xạ trị lớn di chuyển xung quanh người bệnh và bắn bức xạ vào vùng có khối u từ nhiều hướng. Việc tối ưu hóa chùm tia là cực kỳ quan trọng trong xạ trị, vì điều quan trọng là phải đảm bảo rằng bức xạ làm tổn hại càng ít tế bào và mô khỏe mạnh gần vùng ung thư càng tốt.

Đã có nhiều phương pháp tối ưu hóa cho xạ trị trong quá khứ sử dụng máy tính nhị phân. Vào năm 2015, các nhà nghiên cứu tại Viện Ung thư Roswell Park đã đưa ra một kỹ thuật mới sử dụng máy tính lượng tử, giống như máy tính do D-Wave sản xuất, để tối ưu hóa xạ trị theo cách nhanh hơn ba đến bốn lần so với máy tính thông thường.

Một số người có thể đã nghe nói về việc máy tính lượng tử có thể phá vỡ các hệ thống mật mã như RSA hoặc DSA. Điều này dường như đúng với một số hệ thống mật mã, vì chúng dựa vào số nguyên tố để tạo chuỗi khóa.

Một thuật toán, được gọi là thuật toán Shor, có thể được sử dụng trên các máy tính lượng tử để tìm các yếu tố chính được sử dụng để tạo khóa và họ có thể làm điều đó hiệu quả hơn nhiều.

Mặc dù vậy, có một số hệ thống mật mã không thể bị phá vỡ bằng máy tính lượng tử. Các hệ thống mật mã này được phân loại trong lĩnh vực mật mã sau lượng tử.

Do đó, quốc gia đầu tiên có thể mã hóa lượng tử thành công, về mặt lý thuyết, có thể che giấu tất cả thông tin mật mà không một phương pháp theo dõi kỹ thuật số truyền thống nào có thể tìm ra. Khả năng bảo mật của máy tính lượng tử gần như là tuyệt đối.

Thông thường, việc điều tiết giao thông bằng những máy tính hiện nay thường chỉ đáp ứng được yêu cầu khi không xảy ra ùn tắc, thậm chí chúng vẫn cần có sự can thiệp của con người để thực hiện công việc vất vả này.

Với sự có mặt của máy tính lượng tử thì mọi hoạt động trên đường phố đều được xử lý một cách chớp nhoáng, ngoài ra những cỗ máy này có thể đưa ra lộ trình di chuyển của các phương tiện giao thông trong những giờ cao điểm ở mọi điểm nóng trong thành phố. Tất nhiên, hệ thống này là hoàn toàn tự động.

Để đưa một phương thuốc đi vào cuộc sống hiện đại thì phải trải qua hàng nghìn cuộc thử nghiệm, hàng chục năm phát triển và thậm chí tiêu tốn hàng triệu USD. Đấy là còn chưa tính đến những trường hợp thất bại trước khi được đưa vào sản xuất.

Nhưng mọi chuyện sẽ chỉ là quá khứ với sức mạnh của máy tính lượng tử, khi mà những cỗ máy này có thể đưa ra hàng nghìn kiểu kết hợp phân tử có thể xảy ra của loại thuốc đang nghiên cứu, từ đó những nhà khoa học có thể nhanh chóng tìm ra phương án tối ưu mà không phải tốn thời gian như trước.

Ngoài ra, máy tính lượng tử cũng có thể đủ khả năng để giải mã bộ gien của con người, đây là cơ sở tạo nên bước đột phá của ngành y học trong tương lai.

Mô phỏng phân tử đã là một lĩnh vực quan trọng trong sinh học và hóa học, vì nó giúp chúng ta hiểu cấu trúc của các phân tử và cách chúng tương tác với nhau và cũng giúp chúng ta khám phá các phân tử mới.

Mặc dù các máy tính cổ điển ngày nay có thể mô phỏng các động lực học phân tử, nhưng lại luôn hạn chế trong việc mô phỏng các phân tử phức tạp nhất định. Máy tính lượng tử có thể phá vỡ rào cản này một cách hiệu quả.

Cho đến nay, chúng mới được sử dụng để mô phỏng các phân tử nhỏ, như beryllium hydride (BeH2) chẳng hạn. Có vẻ không đáng kể, nhưng thực tế rằng, nếu máy tính lượng tử mạnh hơn, nó có thể chạy các mô phỏng phân tử cực kỳ phức tạp. Điều này là do sức mạnh xử lý của máy tính lượng tử tăng theo cấp số mũ khi số lượng qubit tăng lên.

Kết

Có thể thấy, xét về ngành nghiên cứu máy tính, thì nhân loại vừa bước vào một kỷ nguyên mới, kỷ nguyên của máy tính lượng tử với những ứng dụng đầy hứa hẹn. Với những tiềm năng chiến lược của công nghệ lượng tử trong việc tăng cường kinh tế, an ninh và thậm chí là sức mạnh quân sự, quốc gia nào sở hữu công nghệ lượng tử đầu tiên sẽ đạt được những đột phá đáng gờm trong tương lai.

Cẩm Anh – Nguyễn Long