Công nghệ lượng tử là gì?

Bạn sẽ học được gì

• Nêu hai hiệu ứng lượng tử mà công nghệ này dùng.
• Kể các nhóm ứng dụng và phân biệt nhiệm vụ của chúng.
• Giải thích vì sao việc kiểm soát và các giới hạn quan trọng.

Cần biết trước

Không cần kiến thức chuyên môn; các thuật ngữ được giải thích ngay trong bài.

Công nghệ lượng tử dùng những hiệu ứng nào?

Vật lý lượng tử mô tả vũ trụ ở thang nhỏ nhất: nguyên tử, phân tử, ánh sáng và năng lượng. Ở thang này, mọi thứ hành xử rất khác những vật quen thuộc hằng ngày.

Hiệu ứng đầu tiên là chồng chập. Một nguyên tử có thể xử sự như thể có hai hay nhiều mức năng lượng khác nhau cùng lúc. Với một người, điều này vô nghĩa: không ai đứng đồng thời ở bậc thấp nhất và bậc cao nhất của một chiếc thang.

Hiệu ứng thứ hai là vướng víu. Nhiều nguyên tử hoặc vật thể lượng tử có thể vướng víu với nhau và dùng chung một trạng thái lượng tử.

Nếu hai hiệu ứng này được kiểm soát và khai thác đúng cách, chúng có thể mang lại lợi thế tiềm năng cho xử lý thông tin, cảm biến và quang phổ. Các hệ nghiên cứu thường dựa trên nguyên tử hoặc phân tử bị giữ bẫy và trên photon.

Có những nhóm ứng dụng nào?

Có nhiều nhóm. Xử lý thông tin là nhóm của máy tính lượng tử. Cảm biến và quang phổ là nhóm đo đạc. Đồng hồ lượng tử và mạng lượng tử cũng là những lĩnh vực nghiên cứu của NIST.

Mỗi nhóm giao một nhiệm vụ khác cho cùng một loại hiệu ứng. Máy tính xử lý và lưu thông tin. Đồng hồ giữ thời gian. Cảm biến đo. Vì vậy câu “công nghệ lượng tử dùng để làm gì?” không có một đáp án duy nhất.

Máy tính lượng tử có đầu vào, đầu ra, xử lý thông tin và bộ nhớ như máy tính thường. Điểm khác là chúng dùng qubit thay cho bit thông thường. Qubit có thể ở một trạng thái này, một trạng thái kia, hoặc hỗn hợp của cả hai.

Người ta kỳ vọng máy tính lượng tử có thể mô phỏng chính xác hành vi của từng phân tử để thiết kế thuốc, tối ưu chuỗi cung ứng, hoặc làm lung lay mã hóa hiện nay. Những điều đó vẫn là tiềm năng. Máy tính lượng tử cũng không thay thế mọi máy tính thông thường: hai loại có thể phối hợp.

Vì sao kiểm soát và giới hạn quan trọng?

Trạng thái lượng tử rất mong manh. Những nhiễu loạn như dao động nhiệt độ hoặc điện trường có thể phá vỡ trạng thái của qubit. Vì thế nhiều hệ lượng tử cần được giữ trong điều kiện được kiểm soát chặt.

Máy tính lượng tử ngày nay còn sơ khai và dễ lỗi. Còn một giới hạn nữa ở khâu đọc kết quả. Khi đo, ta chỉ lấy ra được một lượng thông tin nhỏ từ phép tính đang ở trạng thái chồng chập. Vì vậy cách đo phải được thiết kế để lấy thông tin hữu ích.

Hai điều này cho thấy công nghệ lượng tử không phải phép màu. Nó mạnh ở những bài toán nhất định, và phụ thuộc vào việc bảo vệ trạng thái lượng tử.

Ví dụ trong đời sống

Hãy hình dung ba dụng cụ trên một bàn thí nghiệm: một chip tính toán, một đồng hồ và một cảm biến. Chúng cùng thuộc nhóm “công nghệ lượng tử”, nhưng mỗi cái làm việc khác nhau: tính, giữ thời gian, đo.

Với mỗi dụng cụ, hãy hỏi ba câu. Nó dùng hiệu ứng lượng tử nào, kết quả của nó là gì, và điều gì có thể làm hỏng trạng thái lượng tử của nó. Trả lời được ba câu là bạn đã hiểu cách một ứng dụng lượng tử cụ thể vận hành, không chỉ biết cái tên chung.

Hiểu lầm thường gặp

Công nghệ lượng tử không chỉ có máy tính lượng tử. Cảm biến, đồng hồ và mạng lượng tử cũng là những lĩnh vực nghiên cứu.

Máy tính lượng tử sẽ không thay thế mọi máy tính thông thường. Hai loại có thể phối hợp để giải bài toán mà máy tính thường gặp khó.

Chồng chập không có nghĩa ta đọc được mọi đáp án cùng lúc. Phép đo chỉ lấy ra một lượng thông tin nhỏ.

Câu hỏi thường gặp

Chồng chập và vướng víu khác nhau thế nào?

Chồng chập nói về một hệ ở nhiều trạng thái cùng lúc. Vướng víu nói về nhiều vật thể chia sẻ một trạng thái lượng tử.

Qubit khác bit thế nào?

Bit thông thường ở một trong hai trạng thái. Qubit có thể ở trạng thái này, trạng thái kia, hoặc hỗn hợp của cả hai.

Công nghệ lượng tử đã dùng rộng rãi chưa?

Máy tính lượng tử ngày nay còn sơ khai và dễ lỗi. Các lợi thế hầu hết còn ở mức tiềm năng.

Tóm tắt

• Công nghệ lượng tử dùng chồng chập và vướng víu cho xử lý thông tin, cảm biến, đồng hồ và mạng.
• Các nhóm ứng dụng có nhiệm vụ khác nhau.
• Trạng thái lượng tử dễ bị nhiễu, nên kiểm soát và giới hạn là phần cốt lõi.