Tao lụm trên face Chau Doan cũng mấy tháng rồi, đọc có vẽ dễ hiểu hơn
Mỹ chi 1 tỷ đô la mà Trung Quốc chi 15 tỷ đô la mỗi năm cho sự phát triển lượng tử. Sao lại chênh lệch lớn quá vậy? Bạn vàng quả là ghê gớm.
Máy tính lượng tử có tiềm năng trở thành phát minh quan trọng nhất, nguy hiểm nhất và bí ẩn nhất trong cuộc đời chúng ta. Chúng thậm chí có thể trở thành cả ba điều này cùng một lúc. Chúng ta thường nghe thấy thuật ngữ này xuất hiện thi thoảng; nó nghe rất hiện đại và suy đoán, nhưng máy tính lượng tử là rất thực tế. Chúng tồn tại ngay bây giờ và đang trên bờ vực trở thành một phần lớn trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.
May mắn thay, bạn không cần phải là một nhà vật lý để hiểu vai trò mà những cỗ máy lượng tử này có thể thay đổi thế giới như thế nào. Và tôi ở đây để hướng dẫn bạn vào thế giới lượng tử.
Hãy bắt đầu. Được rồi, Ant-Man của Marvel có một số lý thuyết vật lý đáng ngờ nhất. Nhưng một điều mà Giáo sư Kim nói đúng là càng nhỏ, các quy luật vật lý điều khiển chúng càng trở nên kỳ lạ. Điều này rất quan trọng để ghi nhớ khi chúng ta tiếp tục.
Bạn có thể đã thấy một máy tính lượng tử trước đây. Nó trông khá kỳ lạ, giống như một sự kết hợp giữa một chiếc đèn chùm vàng và một con mực khổng lồ hơn là bất cứ điều gì mà chúng ta thường liên kết với máy tính. Nhưng điều đó phần lớn là do góc nhìn đại số quá hẹp.
Cỗ máy này cũng là một máy tính. Thực tế, nó là máy tính đầu tiên, tức là máy tính đầu tiên từng tồn tại, được tìm thấy dưới đáy Địa Trung Hải và có niên đại từ Hy Lạp cổ đại. Nó được biết đến với tên gọi cơ khí Antikythera. Nó được sử dụng để dự đoán các chuyển động của mặt trời, mặt trăng và trái đất. Nó có thể dự báo một cuộc nhật thực hàng thập kỷ trước, giống như chúng ta có thể làm ngày nay. Và máy tính này cũng trông khá kỳ lạ.
Mặc dù những cơ chế vàng sáng bóng mà bạn thấy chỉ là tái tạo nghệ thuật. Di vật thực tế là một hoặc các mảnh vụn bị bao phủ bởi hàng ngàn năm chuyển động.
Máy tính đã trải qua nhiều hình thức khác nhau trong suốt nhiều thế kỷ mà chúng đã tồn tại. Vì vậy, theo nhiều cách, máy tính lượng tử chỉ là giai đoạn tiếp theo trong quá trình tiến hóa. Nhưng theo nhiều cách khác, điều đó không hoàn toàn đúng.
Máy tính hiện đại như chúng ta biết được xác định bởi các bit. Một bit là đơn vị dữ liệu nhỏ nhất mà một máy tính có thể xử lý. Các bit là những khối xây dựng của mọi thông tin kỹ thuật số mà bạn từng trải nghiệm. Một bit luôn tồn tại trong một trong hai trạng thái, giống như một công tắc. Đó là lý do tại sao chúng ta nói rằng máy tính nói một ngôn ngữ nhị phân. Trạng thái của mỗi bit thường được biểu diễn bằng một hoặc không, nhưng nó cũng có thể được biểu diễn bằng bật hoặc tắt, lên hoặc xuống, trái hoặc phải. Miễn là mỗi bit chỉ là một trong hai giá trị tiềm năng, nó được gọi là nhị phân.
Biểu hiện vật lý của một bit được gọi là transistor. Đây giống như một công tắc điện tử và một lần nữa, nó có thể tồn tại trong một trong hai trạng thái tiềm năng: bật và tắt. Vì vậy, càng có nhiều transistor vật lý, bạn càng có thể xử lý nhiều bit thông tin hơn cùng một lúc, điều này là một sự đơn giản hóa, nhưng nó truyền tải được ý chính.
Chúng ta đã liên tục cố gắng làm cho các transistor nhỏ hơn và nhỏ hơn theo thời gian, để có thể nhét nhiều transistor hơn vào các thiết bị ngày càng nhỏ. Chiếc máy tính để bàn cổ này từ những năm 1960 sử dụng 250 transistor. Một mẫu iPhone hiện tại có 19 tỷ transistor chỉ trong chip bộ xử lý chính.
Để đạt được điều này, chúng ta đã giảm kích thước của transistor xuống chỉ còn ba nanomet. Điều này quá nhỏ để tâm trí con người thực sự có thể hiểu, nó chỉ lớn hơn một chút so với một sợi DNA của con người, là 2,5 nanomet. Có khả năng các transistor có thể được giảm xuống kích thước một nanomet vào cuối thập kỷ này. Có một giới hạn vật lý về kích thước tối thiểu mà chúng có thể đạt được.
Nhưng bất kể bạn làm cho một transistor nhỏ đến mức nào, nó vẫn bị giới hạn bởi bản chất nhị phân của bit; nó chỉ có thể ở một trong hai trạng thái. Và đây là nơi máy tính lượng tử xuất hiện. Máy tính lượng tử sử dụng đơn vị đo dữ liệu riêng của nó, đó là qubit, và những thứ này có thể rất kỳ lạ vì qubit cũng đại diện cho một và không giống như các bit truyền thống.
Nhưng qubit cũng có thể đại diện cho cả một và không cùng một lúc; chúng không nhị phân. Điều này về cơ bản mang lại cho qubit khả năng chứa đựng nhiều thông tin hơn rất nhiều so với các bit truyền thống. Biểu hiện vật lý của qubit đạt được bằng cách thao tác trạng thái xoay của các hạt hạ nguyên tử, hoặc proton hoặc electron, khiến chúng xoay lên xuống hoặc trái phải, tạo ra hai trạng thái khác biệt hoặc một và không.
Tuy nhiên, cơ học lượng tử cho phép những hạt hạ nguyên tử này tồn tại trong nhiều trạng thái đồng thời. Vì vậy, chúng có thể đang xoay trong mọi hướng ngay lập tức.
Nhớ rằng càng nhỏ, các quy luật điều khiển chúng càng trở nên kỳ lạ. Đây là hình ảnh về điều đó.
Nếu bạn kết hợp hai bit lại với nhau, chúng ta biết rằng mỗi bit sẽ đại diện cho một hoặc không. Vì vậy, bất kể sự kết hợp như thế nào, bạn có hai bit thông tin. Nhưng khi bạn kết hợp hai qubit, bạn sẽ có tương đương với bốn bit thông tin. Điều này xảy ra bởi vì giờ đây có bốn sự kết hợp khả thi của một và không, vì mỗi qubit có khả năng đại diện cho cả hai giá trị cùng một lúc. Vì vậy, thay vì chỉ là một và không, cặp qubit cũng có thể là không và một, hoặc một và một, hoặc không và không, tất cả cùng một lúc. Nếu điều này bắt đầu nghe quen thuộc, có lẽ vì bạn đã là một nhà vật lý lượng tử hoặc bạn đã nghe về một thí nghiệm tư tưởng gọi là "mã hóa", hoặc giải thích cơ bản về ý tưởng của Schrödinger là bạn có thể lấy một con mèo và đặt nó vào một chiếc hộp, sau đó đặt một thứ khác vào hộp có thể giết chết con mèo, như một cốc độc. Sau đó, bạn niêm phong hộp lại. Đây là những thí nghiệm tư tưởng; không ai đã đặt một con mèo vào hộp với độc, ít nhất là không phải theo những gì chúng ta biết.
Bây giờ, miễn là không có cách nào cho chúng ta ở bên ngoài biết điều gì đã xảy ra bên trong hộp, thì chúng ta không có bằng chứng nào để cho rằng con mèo đã chết hay còn sống. Có thể nó đã uống độc, có thể không. Con mèo của tôi ăn nhựa nhưng từ chối ăn thịt gà. Chúng là những sinh vật không thể đoán trước. Và miễn là chúng ta không có phương pháp quan sát nào để dự đoán số phận của con mèo, thì nó có thể được coi là đồng thời cả đã chết và còn sống.
Điều này được gọi trong vật lý lượng tử là sự chồng chéo, và đó là trạng thái mà các qubit có thể tồn tại. Chúng là hai kết quả tiềm năng xảy ra đồng thời. Bây giờ, mánh khóe ở đây là ngay khi bạn mở hộp và kiểm tra tình trạng của con mèo, sự chồng chéo đó sẽ sụp đổ trở lại thành nhị phân. Con mèo sẽ hoặc là đã chết hoặc còn sống. Và điều tương tự cũng áp dụng cho các qubit. Cuối cùng, chúng phải chọn một bên và giải quyết thành một hoặc không.
Nhưng thời gian mà chúng ở trong trạng thái chồng chéo cho phép máy tính lượng tử khám phá một mạng lưới rộng lớn của các kết hợp tiềm năng trước khi đến với câu trả lời cuối cùng. Chính sự chồng chéo này là nơi mà máy tính lượng tử nhận được sức mạnh của nó. Khi bạn bắt đầu cộng dồn tất cả các giá trị tiềm năng từ sự chồng chéo của nhiều qubit làm việc cùng nhau, bạn sẽ bắt đầu có được những con số đáng kinh ngạc. Nhớ khi chúng ta nói rằng hai qubit có thể đạt được bốn giá trị khả thi, tương đương với bốn bit tiêu chuẩn, trong khi chỉ cần kết hợp 20 qubit sẽ tạo ra hơn một triệu giá trị tiềm năng.
Máy tính lượng tử lớn nhất mà chúng ta biết hiện nay được xây dựng bởi IBM và có hơn 1000 qubit sức mạnh xử lý. Trong một thập kỷ tới, IBM dự đoán rằng con số này sẽ tăng lên 100.000 qubit. Vậy điều này có nghĩa là gì đối với bạn và tôi? Điều đầu tiên mà chúng ta nên thiết lập là máy tính lượng tử không chỉ là phiên bản tốt hơn của máy tính hiện có; chúng ít là một sự tiến hóa và nhiều hơn là một phương thức vận chuyển thay thế.
Máy tính lượng tử có thể đưa chúng ta đến những nơi mà chúng ta chưa từng đến trước đây, theo cách mà chiếc thuyền của bạn có thể đưa bạn đến những nơi mà xe ô tô của bạn không thể lái đến. Nhưng một chiếc thuyền không phải là một cải tiến trên một chiếc xe hoặc là một sự thay thế. Vì vậy, máy tính lượng tử sẽ không thay thế 99% công việc hiện đang được thực hiện bởi các siêu máy tính hiện có, và bạn chắc chắn sẽ không thêm một cái vào dàn công nghệ cá nhân hiện có của bạn. Lý do đơn giản nhất cho điều này là để một chip lượng tử đầy qubit thực sự hoạt động, nó cần được giữ ở nhiệt độ gần như bằng không tuyệt đối nhất có thể. Đây là mức lạnh nhất có thể, lạnh hơn cả chân không của không gian.
Vì vậy, để thậm chí vận hành một máy tính lượng tử, bạn trước tiên cần có một tủ đông mạnh nhất thế giới. Oh, và ngay cả với hệ thống làm lạnh cần thiết, các máy tính lượng tử hiện có chỉ có thể hoạt động trong khoảng một giây mỗi lần trước khi các qubit mất trạng thái chồng chéo của chúng. Vấn đề thứ hai thì khó hiểu hơn một chút. Nhưng theo cách đơn giản, máy tính lượng tử thực sự có thể mắc lỗi và chúng thường xuyên làm như vậy.
Đây là một điều hơi kỳ lạ vì hầu hết chúng ta không thật sự quen thuộc với những máy tính mắc lỗi. Hãy tưởng tượng nếu chiếc máy tính bỏ túi của bạn thỉnh thoảng đưa ra câu trả lời sai, và các máy tính lượng tử hiện có thường có tỷ lệ lỗi nằm trong khoảng từ một trên 100 tệ nhất và một trên 1000 ở mức tốt nhất. Người ta đã suy đoán rằng để một máy tính lượng tử trở nên thực sự thực tiễn, tỷ lệ lỗi cần được giảm xuống ít nhất là một trên 1 triệu. Điều này liên quan đến bản chất của các qubit và sự chồng chéo của chúng; mỗi qubit tự nó vốn đã không ổn định. Và khi bạn bắt đầu kết hợp nhiều qubit lại với nhau, sự không ổn định đó chỉ càng tăng lên, có nghĩa là càng nhiều khả năng máy tính lượng tử của bạn, thì càng ít khả năng nó mắc lỗi—với sức mạnh lớn, sẽ có sự không ổn định lớn.
Nhưng ngay cả với yếu tố không thể đoán trước này được tính đến, vẫn hoàn toàn có khả năng cho các máy tính lượng tử hiện có giải quyết các bài toán toán học trong vài giây mà một máy tính thông thường sẽ mất hàng ngàn năm để hoàn thành. Điều này thực sự có tiềm năng trở thành một vấn đề lớn. Đây có phải là điều mà bạn nên lo lắng không? Hầu hết người dùng iPhone có lẽ đã bỏ lỡ thông báo này. Nhưng vào tháng 2 năm 2024, Apple đã công bố rằng iMessage đã được nâng cấp mã hóa với bảo mật sau lượng tử, có nghĩa là ngay cả một cuộc tấn công bằng máy tính lượng tử tinh vi cũng sẽ không thể hack tài khoản iMessage của bạn, điều này thật tốt. Nhưng nó cũng chứng tỏ rằng Apple có đủ mối quan tâm về khả năng hacking lượng tử để nghiêm túc xem xét vấn đề này. Và Apple là một trong những người dẫn đầu trong xu hướng hiện tại hướng tới mã hóa an toàn trước các cuộc tấn công lượng tử, có nghĩa là vẫn còn nhiều dịch vụ trực tuyến mà bạn có thể sử dụng chưa thực hiện các biện pháp tương tự, bao gồm email, tài khoản ngân hàng, lưu trữ đám mây, thậm chí cả ví tiền điện tử như Bitcoin—những thứ thực sự được xây dựng dựa trên mã hóa.
Nó nằm trong tên gọi; những khóa riêng này có thể được đóng gói như máy tính lượng tử. Một trong những vấn đề lớn nhất mà chúng ta đang gặp phải hiện nay là cuộc đua vũ trang hướng tới siêu máy tính lượng tử không đang được Mỹ dẫn đầu. Đây là lĩnh vực mà Trung Quốc đã chiếm ưu thế từ sớm; họ có số lượng máy tính lượng tử mạnh mẽ và ổn định lớn nhất. Vào năm 2020, Tổng thống Donald Trump đã thông báo rằng chính phủ Mỹ sẽ chi 1 tỷ đô la mỗi năm cho nghiên cứu máy tính lượng tử tại Mỹ. Đến năm 2022, Đảng ******** Trung Quốc đã cam kết 15 tỷ đô la mỗi năm cho sự phát triển lượng tử của riêng họ. Điều này thật đáng sợ. Nhưng có điều gì mà chúng ta, những người bình thường, có thể thực sự làm được về điều này không?
Thực ra, không có gì nhiều, nhưng có thể đáng để theo dõi những dịch vụ nào bạn đang sử dụng và đang nâng cấp lên mã hóa sau lượng tử. Nếu đây là điều bạn lo lắng, có thể cân nhắc chuyển sang các dịch vụ có mức độ mã hóa cao hơn. Điều này không phải là một điều thú vị để suy nghĩ. Nhưng đó là thế giới mà chúng ta đang sống bây giờ.
Tôi muốn để lại cho bạn một điều gì đó thú vị để suy nghĩ về tầm quan trọng tiềm năng của máy tính lượng tử trong việc làm những điều tốt đẹp, những điều tốt đẹp đến mức không thể đo lường được mà sẽ thay đổi hướng đi của lịch sử nhân loại hướng tới tương lai utopia của khoa học viễn tưởng Star Trek mà cho đến nay chỉ được mơ ước. Nếu có một điều mà các hệ thống máy tính hiện có của chúng ta thực sự thiếu, thì đó chính là khả năng hiểu biết về tự nhiên và thế giới vật lý.
Truyền thống, máy tính đã khá kém trong việc nắm bắt những khái niệm rất quan trọng như sinh học và thời tiết. Ví dụ, chúng ta không thể chữa khỏi ung thư vì chúng ta vẫn chưa hiểu rõ. Hai mươi năm trước, các nhà khoa học đã có thể lập bản đồ vào bộ gen nhờ sự trợ giúp của các siêu máy tính thời đó. Đó là một thành tựu đáng kinh ngạc. Nhưng ngay cả khi có những cỗ máy mạnh mẽ hơn rất nhiều trong thời hiện đại, chúng ta vẫn không đạt được những bước đột phá có ý nghĩa trong khoa học y tế.
Một trong những vấn đề lớn nhất ở đây là các lực lượng của tự nhiên như bệnh tật và virus cũng hoạt động ở mức lượng tử, giống như các qubit. Điều này có nghĩa là chúng có sự chồng chéo riêng của chúng, nơi các hạt hạ nguyên tử bên trong virus tồn tại trong nhiều trạng thái đồng thời. Điều này có nghĩa là, giống như con mèo của Schrödinger, không có câu trả lời đúng.
Khi chúng ta mở hộp và khi nói về việc mở hộp về bản chất của sự sống, vũ trụ và mọi thứ, chúng ta cần có khả năng gặp gỡ tự nhiên ở cấp độ của nó, điều này đi xuống tận nền tảng của các nguyên tử tạo nên vũ trụ. Tự nhiên đang hoạt động ở quy mô lượng tử. Và đó là nơi chúng ta cần đến để cuối cùng hiểu được nó; chúng ta chưa đến đó. Điều này có thể xảy ra trong đời tôi hoặc của bạn. Có thể không. Nhưng lần đầu tiên trong 3 tỷ năm lịch sử của sự sống trên trái đất, chúng ta đang khá gần việc tìm ra tất cả.
Và điều đó tự nó là một điều tuyệt vời để được chứng kiến.