Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 91)

Điện toán lượng tử

Máy tính lượng tử hứa hẹn làm thay đổi thế giới theo những cách mà chúng ta không thể hình dung nổi. Kỉ nguyên thông tin của chúng ta đã chứng kiến chúng ta đắm mình trong dữ liệu – từ truyền thông xã hội cho đến kết quả của các thí nghiệm khoa học – và máy tính kĩ thuật số truyền thống đang vật vã phân tích những lượng thông tin đồ sộ. Tuy nhiên, máy tính lượng tử với sức mạnh xử lí song song sẽ đương đầu được với những thách thức này.

Trong khi máy tính kĩ thuật số lưu trữ thông tin dưới dạng các ‘bit’ nhị phân nhận giá trị hoặc 0 hoặc 1, máy tính lượng tử sử dụng sự chồng chất trạng thái lượng tử của các hạt để lưu trữ thông tin trong những bộ phận gọi là qubit. Sự chồng chất làm gia tăng tốc độ xử lí của máy tính lượng tử: trong khi máy tính thông thường chỉ thực hiện mỗi lần một phép tính, thì máy tính lượng tử có thể thực thi hàng triệu phép tính đồng thời. Trong tương lai, những dụng cụ quyền năng này sẽ có thể sàng lọc và phân tích lượng dữ liệu khổng lồ, giải được những bài toán phức tạp có thể áp dụng cho những lĩnh vực như lập mô phỏng môi trường, điều trị bệnh và nghiên cứu chính thế giới lượng tử.

Điện toán lượng tử

Qubit

Hãy nghĩ qubit là một lượng tử thông tin – đơn vị nhỏ nhất và đơn giản nhất có thể của thông tin. Khác biệt giữa qubit và bit kĩ thuật số là ở chỗ, trong khi một bit thông thường chỉ có thể nhận một trong hai trạng thái (0 hoặc 1, đúng hoặc sai, yes hoặc no), thì một qubit có thể tồn tại đồng thời vừa là 0 vừa là 1, vừa đúng vừa sai, vừa yes vừa no. Đây là vì các trạng thái lượng tử của nó bị chồng chất, kiểu như con mèo của Schrödinger, cho đến khi một phép đo được thực thi. Các qubit có thể là từng nguyên tử, từng ion, electron, ngưng tụ Bose-Einstein, các mạch siêu dẫn gọi là lớp chuyển tiếp Josephson hoặc thậm chí các photon ánh sáng.

Thông tin trong một qubit được mã hóa thành các tính chất lượng tử của nó, ví dụ như spin của một electron hay phân cực của một photon. Số lượng trạng thái khả dĩ bằng 2^N ứng với N qubit, thành ra hai qubit có thể xử lí bốn trạng thái đồng thời, và sáu qubit có thể xử lí 64 trạng thái đồng thời. Mỗi qubit rốt lại chỉ có thể cho ra một đáp số khi tiến hành đo, nhưng sự chồng chất các trạng thái đem lại sức mạnh xử lí cực lớn.

Qubit