Skip to main content

Tín hiệu

Điện toán lượng tử

Thế hệ công nghệ máy tính tiếp theo

Sự ra đời của điện toán lượng tử đại diện cho sự chuyển đổi công nghệ lớn tiếp theo, thúc đẩy những thay đổi toàn diện về kinh tế và xã hội. Dưới đây là một đoạn giới thiệu ngắn về những gì được mong đợi từ công nghệ.

Thế hệ công nghệ máy tính tiếp theo

Máy tính lượng tử (QC) là thế hệ công nghệ máy tính tiếp theo, tận dụng vật lý lượng tử.

Trong khi tính toán cổ điển dựa vào bit, đơn vị cơ bản của nó, tính toán lượng tử dựa vào qubit - hoặc bất kỳ giá trị nào giữa các qubit, hoặc bất kỳ sự kết hợp nào của chúng.

Trong khi một bit tồn tại theo logic nhị phân - nó là 0 hoặc 1, tắt hoặc bật - qubit có thể tồn tại ở cả trạng thái 0 và trạng thái 1 cùng một lúc, trong một hiện tượng được gọi là “chồng chất ".

“Vướng víu” là một hiện tượng cơ bản khác mang lại cho QC sức mạnh của nó. Khi hai hoặc nhiều qubit bị vướng vào nhau, chúng hoạt động như một hệ thống duy nhất, giống như các bánh răng được gắn trong hộp số, do đó sự thay đổi sang một qubit sẽ thay đổi tất cả các qubit khác mà nó bị vướng vào. Điều đó có nghĩa là một hoạt động duy nhất có thể đồng thời ảnh hưởng đến trạng thái của nhiều qubit.

Kết quả là một loại máy tính mới mạnh mẽ hơn đáng ngạc nhiên.

Có thể có từ 2.000 đến 5.000 máy tính lượng tử trên toàn cầu vào năm 2030. Có ít hơn một chục trong năm 2018.

Máy tính mạnh hơn theo cấp số nhân

1 Máy tính lượng tử có thể giải quyết một vấn đề đòi hỏi một cụm 512 GPU

QC có khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp hơn rất nhiều so với những vấn đề mà máy tính cổ điển có thể giải quyết.

Một máy tính lượng tử 1.000 qubit (được dự báo sẽ xuất hiện trong 2-3 năm) sẽ có thể hoạt động trên 10 ³⁰¹ (đó là 1 tiếptheo là 301 số không) được gọi là “trạng thái thông tin” khác nhau cùng một lúc.

Một “trạng thái” trong bối cảnh này có nghĩa là một giải pháp khả thi cho một vấn đề nhất định. Hầu hết các giải pháp khả thi sẽ sai, vì vậy chúng ta càng có thể khám phá nhiều trạng thái, cơ hội tìm ra giải pháp tốt nhất của chúng ta càng cao.

Hai kiến trúc, hai khung thời gian

Máy ủ lượng tử chuyên dùng cho các nhiệm vụ tối ưu hóa. Một hãng hàng không có thể sử dụng một máy tính như vậy để chuẩn bị một lịch trình tối ưu cho các tuyến máy bay, một lịch trình giúp giảm thiểu việc sử dụng nhiên liệu trong khi đảm bảo rằng tất cả các lịch trình của hành khách được đáp ứng.

Họ sẽ bắt đầu tạo ra tác động thương mại trong 2-5 năm

 

Máy tính lượng tử dựa trên Gate là phổ quát, có nghĩa là chúng sẽ có thể tính toán một loạt các vấn đề. Trong tương lai, một công ty dược phẩm sẽ sử dụng một loại để mô phỏng các hợp chất thuốc mới, khám phá tác dụng của hàng triệu trong số chúng mà không cần phải tổng hợp và thử nghiệm chúng.

Họ sẽ bắt đầu tạo ra tác động thương mại trong 7-10 năm

Công nghệ lượng tử

Qubit siêu dẫn

Một trong những nền tảng công nghệ hàng đầu cho sự phát triển của máy tính lượng tử. IBM, Google, D-Wave và những người khác đang đưa nó vào hoạt động. Các hệ siêu dẫn thường hoạt động ở nhiệt độ rất thấp, gần bằng không tuyệt đối để tạo ra các điều kiện thích hợp của tính toán lượng tử.

Mạng lượng tử

Mạng lượng tử cho phép truyền thông tin vướng víu lượng tử qua các kênh truyền thông. Chúng là một trong những công nghệ hỗ trợ đằng sau QKD và sẽ cho phép cải thiện bảo mật và tăng băng thông.

Phân phối khóa lượng tử (QKD)

Một phương pháp giao tiếp an toàn thực hiện một giao thức mật mã liên quan đến các thành phần của cơ học lượng tử. Nó cho phép hai bên tạo ra một khóa bí mật ngẫu nhiên chung mà chỉ họ biết, khóa này sau đó có thể được sử dụng để mã hóa và giải mã tin nhắn. Nó hứa hẹn sẽ không bị tấn công bởi kẻ theo dõi hoặc tấn công "trung gian".

Cảm biến lượng tử

Một thiết bị hoạt động bằng cách phát hiện các biến thể trong vi trọng lực bằng cách sử dụng các nguyên tắc của vật lý lượng tử, dựa trên việc thao tác tự nhiên ở cấp độ phân tử phụ. Cảm biến lượng tử sử dụng các đặc tính cơ học lượng tử như vướng víu lượng tử, giao thoa lượng tử và ép trạng thái lượng tử để vượt qua giới hạn dòng điện trong công nghệ cảm biến và trốn tránh nguyên lý không chắc chắn.

Qubit ion lượng tử

Bẫy ion lượng tử là một nền tảng công nghệ khác đang được sử dụng để phát triển máy tính lượng tử. Nó liên quan đến việc sử dụng lực điện từ để hạn chế các ion trong không gian trống. LonQ là người đề xuất hàng đầu của cách tiếp cận này.

Kiến trúc ủ

Kiến trúc ủ là một kiến trúc đơn giản hơn, dựa trên ý tưởng tìm trạng thái năng lượng thấp nhất trong hệ lượng tử. Trạng thái năng lượng thấp nhất này tương ứng với giải pháp tối ưu của một bài toán tối ưu hóa.

Kiến trúc cổng

Kiến trúc cổng sử dụng lượng tử tương đương với cổng logic đóng vai trò là khối xây dựng của các đơn vị xử lý trung tâm dựa trên silicon. Với thực tế đó, một máy tính lượng tử dựa trên cổng, ít nhất là trên lý thuyết, có thể tính toán cùng một tập hợp các vấn đề như một máy tính truyền thống.

Quang tử

Các hệ thống quang tử dựa vào xung ánh sáng và phân cực ánh sáng để tạo ra các qubit của chúng. Không giống như hầu hết các công nghệ qubit khác, chúng có lợi thế là hoạt động ở nhiệt độ phòng, nhưng chúng có xu hướng hoạt động chậm hơn nhiều so với qubit siêu dẫn. Xanadu là công ty hàng đầu theo đuổi phương pháp tiếp cận dựa trên quang tử đối với QC.

Mật mã hậu lượng tử (PQC)

Mật mã hậu lượng tử là thuật ngữ chung cho các phương pháp mã hóa khóa công khai mới có khả năng chống lại máy tính lượng tử. Quá trình lựa chọn thuật toán PQC đang được quản lý bởi Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST). Hầu hết các tổ chức lớn đều đi theo sự dẫn dắt của NIST.

Điện toán lượng tử trong đám mây

Phần cứng

Thông thường, các công ty cần QC không sở hữu máy tính của riêng họ. Ý tưởng về máy tính lượng tử tại chỗ hiện không thực tế, vì một số lý do chính:

  • Thiết bị lượng tử đắt tiền
  • Hoạt động của họ rất phức tạp, và do đó tốn kém
  • Với tần suất các thiết bị lượng tử nhận được nâng cấp từ các nhà sản xuất của họ, một thiết bị cá nhân sẽ nhanh chóng trở nên lỗi thời

Thay vào đó, người dùng cuối của máy tính lượng tử truy cập chúng thông qua các dịch vụ đám mây.

Hiện tại có hai cách tiếp cận để cung cấp QC trên đám mây:

Ưu và nhược điểm của hai cách tiếp cận

Đám mây độc quyền

Trong cách tiếp cận này, các nhà cung cấp cung cấp quyền truy cập vào các thiết bị QC của riêng họ thông qua các dịch vụ đám mây của riêng họ. IBM là công ty quan trọng nhất theo cách tiếp cận này, cung cấp QC thông qua Mạng IBM Q.

Điểm mạnh

Tích hợp chặt chẽ hơn giữa nền tảng đám mây hiện có của nhà cung cấp và nền tảng lượng tử Giảm độ trễ mạng giữa nền tảng đám mây cổ điển và nền tảng lượng tử, đây sẽ là lợi thế cho các ứng dụng có độ trễ thấp (chẳng hạn như phát hiện gian lận)

Điểm yếu

Lựa chọn hạn chế các tùy chọn back-end điện toán lượng tử

Tiềm năng cho các mô hình thương mại hạn chế hơn

Nguy cơ bị khóa nhà cung cấp

Đám mây công cộng

Trong cách tiếp cận này, các dịch vụ đám mây hàng đầu cung cấp quyền truy cập vào các thiết bị QC của nhà cung cấp bên thứ ba. Ví dụ, Amazon Braket cung cấp quyền truy cập vào D-Wave, rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ và Xanadu, với nhiều hơn nữa trong quá trình triển khai. Microsoft Azure Quantum cung cấp quyền truy cập vào Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO và Toshiba SQBM +.

Điểm mạnh

Sử dụng các dịch vụ truy cập và thanh toán hiện có của nhà cung cấp đám mây và các dịch vụ chia sẻ tương tự

Cung cấp một bước tiếp cận dễ dàng để truy cập máy tính lượng tử, thường là với mô hình “pay as you go”

Cung cấp quyền truy cập vào nhiều loại máy tính lượng tử, cho phép so sánh giữa các nền tảng và xác định thiết bị thích hợp cho vấn đề đang gặp phải

Điểm yếu

Xu hướng độ trễ cao hơn khi truy cập thiết bị lượng tử do các chuyến đi khứ hồi mạng và xếp hàng

Điều đó, đến lượt nó, tạo ra các vấn đề trong các ứng dụng như phát hiện gian lận và giao dịch tần số cao có yêu cầu thời gian thực hoặc độ trễ thấp, đến mức các ứng dụng như vậy có thể không thực tế

 

 

Trong tương lai, các nhà cung cấp đám mây có thể lưu trữ các thiết bị lượng tử trong trung tâm dữ liệu của họ cùng với phần cứng CPU và GPU truyền thống của họ, do đó giảm thiểu hiệu ứng độ trễ và cho phép một lớp ứng dụng lai lượng tử cổ điển thông lượng cao, độ trễ thấp mới, chẳng hạn như phát hiện gian lận và giao dịch tần số cao.

Phần mềm/API

API và SDK liên quan có xu hướng là mã nguồn mở và, ngoại trừ một số ít trường hợp, được viết bằng ngôn ngữ lập trình Python.

Mỗi nhà cung cấp QC hàng đầu thường cung cấp API riêng để hỗ trợ các thiết bị hoặc dịch vụ của mình.

Một số nhà cung cấp, chẳng hạn như ionQ, đã quyết định hỗ trợ API của các nhà cung cấp khác thay vì phát triển các API độc quyền của riêng họ. IonQ, ví dụ, hỗ trợ Qiskit từ IBM và Cirq. Cách tiếp cận này cho phép các thuật toán lượng tử được viết bằng Qiskit cho một máy lượng tử IBM, ví dụ, được chuyển dễ dàng hơn để chạy trên thiết bị ionQ.

Tương lai sẽ chứng kiến một số lượng nhỏ các API tiêu chuẩn, được cung cấp hoặc ủy quyền bởi các nhà cung cấp công nghệ/đám mây lớn (IBM/Amazon/Microsoft), mà các nhà cung cấp phần cứng điện toán lượng tử sẽ xây dựng.

Ứng dụng trong dịch vụ tài chính

Khi họ phấn đấu để lãnh đạo trong QC, các tổ chức tài chính có khả năng nhận thấy rằng kỹ năng và phát triển và giữ chân nhân tài sẽ trở thành một chiến trường quan trọng. Các nhà lãnh đạo trong việc áp dụng các công nghệ lượng tử sẽ thấy tính bảo mật, hiệu quả hoạt động và hiệu quả sản phẩm của họ tăng lên đáng kể, trong khi những người chậm trễ sẽ thấy những khía cạnh này trong kinh doanh của họ bị xói mòn.

Mặc dù chúng ta không mong đợi các máy tính lượng tử đủ mạnh để giải mã các hệ thống tiền điện tử dựa trên PKI ngày nay trong ít nhất 10-12 năm, nhưng vẫn còn nhiều công việc cần làm để chuẩn bị chúng để chống lại các mối đe dọa lượng tử.

Một hiệu ứng xúc tác trong các lĩnh vực khác

QC có khả năng ứng dụng biến đổi trong một loạt các lĩnh vực khác.

Khám phá thuốc

Điện toán lượng tử sẽ cải thiện quá trình khám phá thuốc bằng cách tăng tốc độ xác định và mô phỏng các phân tử. Nó sẽ chuyển các thí nghiệm từ phòng thí nghiệm ướt sang máy tính và các nhà nghiên cứu sẽ có quyền truy cập vào các kết hợp hóa học mà máy tính thông thường sẽ mất nhiều thập kỷ để tạo ra.

An ninh mạng

Máy tính lượng tử đe dọa xương sống bảo mật của các mạng ngày nay - mật mã khóa công khai RSA. Nhưng công nghệ lượng tử cũng sẽ cho phép tạo ra những hình thức giao tiếp mới và an toàn hơn.

Hậu cần

QC sẽ chuyển đổi chuỗi cung ứng của chúng tôi bằng cách xử lý khối lượng dữ liệu phức tạp chưa từng có liên quan đến năng lực sản xuất, địa lý và cơ sở hạ tầng, mô hình thời tiết, định tuyến đường, năng lực đường sắt và đường vận chuyển, v.v.

Ô tô

QC sẽ tiến gần hơn đến một hệ sinh thái xe tự hành khả thi. AI và máy học dựa trên lượng tử sẽ tăng tốc quá trình học các thuật toán cần thiết. Phân loại hình ảnh và giam giữ đối tượng 3D cũng sẽ thu lợi từ QC.

Mô phỏng

QC sẽ cung cấp các khả năng mới trong việc mô hình hóa thực tế. Chúng ta sẽ thấy trước tốt hơn các sự kiện thời tiết khắc nghiệt, lập biểu đồ biến đổi khí hậu, dự đoán sự phát triển đô thị sẽ ảnh hưởng đến khí thải như thế nào, dự báo tăng trưởng dân số - và hơn thế nữa.

Khi QC ngày càng được ưa chuộng, chúng ta sẽ thấy các trường hợp sử dụng xuất hiện ở nhiều lĩnh vực.

CÔNG NGHỆ MỚI NỔI

Các cầu thủ trong QC ngay bây giờ

Một loạt các nhà cung cấp phần cứng đang tạo ra các máy tính lượng tử của riêng họ, sử dụng một loạt các hiện tượng vật lý cơ bản khác nhau và triển khai cả phương pháp tiếp cận phổ quát, dựa trên cổng và phương pháp ủ lượng tử. Bao gồm:

Ngoài các nhà cung cấp phần cứng, mỗi nhà cung cấp thường cung cấp thư viện phần mềm riêng (ví dụ: IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), còn có một số nhà cung cấp phần mềm lượng tử chuyên dụng. Trong số đó:

Tăng trưởng thị trường QC

2016

89 TRIỆU ĐÔ LA

thị trường điện toán lượng tử toàn cầu

2025

$949 TRIỆU

thị trường điện toán lượng tử toàn cầu (dự kiến)

30% CAGR từ năm 2017 đến năm 2025

Tiềm năng lớn phía trước

Máy tính lượng tử sẽ thích hợp cho các nhiệm vụ nhất định. Trong tương lai gần, máy tính lượng tử sẽ vượt trội trong việc giải quyết các vấn đề số phức tạp và sẽ cùng tồn tại với các máy tính cổ điển hiện có để kích hoạt các hệ thống lai lượng tử-cổ điển. Tính kết hợp rất quan trọng, bởi vì trong khi máy tính cổ điển cung cấp đầu ra cắt và khô, máy tính lượng tử cung cấp đầu ra theo phân phối xác suất, tạo ra các tập hợp câu trả lời mà sau đó có thể yêu cầu sử dụng các máy tính cổ điển. Xa hơn trong tương lai, QC có tiềm năng biến đổi. Nó sẽ tạo ra những cải tiến to lớn trong một số lĩnh vực nhất định, cho chúng ta cơ hội để tạo ra những loại thuốc mới mang tính cách mạng, để tối ưu hóa hoạt động của thị trường tài chính của chúng ta, để bảo mật mạng lưới của chúng ta, để hiểu các hệ thống phức tạp, từ sinh thái của trái đất đến mạng lưới cung và nhu cầu toàn cầu — và hơn thế nữa. Đối với hiệu ứng tối đa của nó, đường chân trời mở. Những thay đổi đáng kể đang diễn ra ở cấp độ xã hội và kinh tế: Cũng giống như máy tính cổ điển, QC sẽ biến đổi toàn diện về cách chúng ta sống. Nhưng câu chuyện vẫn chưa được viết ra, và vài thập kỷ tới sẽ chứng kiến những gì bộ óc tốt nhất của chúng ta có thể làm với công cụ mới mạnh mẽ này.