Máy tính lượng tử và khả năng ứng dụng để giải bài toán động lực học chất lưu (CFD)

Hiện nay máy tính là một thành phần trong hầu hết các công nghệ sản xuất và là công cụ cơ sở trong các lĩnh vực nghiên cứu Khoa học. Máy tính thông thường (PnC) sử dụng các tính chất của mạch điện tử, phần tử chính là một đơn vị xử lý trung tâm (CPU) liên kết với nhiều thiết bị ngoại vi; hoạt động của chúng dựa trên hai mức điện thế, mức cao gọi là bít 1, mức thấp gọi là bít 0. Hiện thực 1 loại bít là một trường điện thế với một cổng trên cơ sở là các transitor trong một khoảng thời gian được cố định với xung nhịp (Clock). Nếu thuật toán đã là tối ưu thì tốc độ tính toán chỉ còn phụ thuộc vào tần số của Clock và số lượng transtor trong CPU. Để giải các bài toán thực tế phức tạp (ví dụ như bài toán động lực học chất lưu-CFD, dự báo thời tiết …) đặt ra, cần có CPU đủ mạnh, nghĩa là số lượng transtor trong CPU không ngừng tăng lên làm cho mật độ transtor tăng đến ngưỡng kích thước vài chục nguyên tử silic (luật More [1]) . Sự phát triển của Khoa học-Công nghệ đặt ra cần có một mô hình máy tính mới mà không phụ thuộc quá lớn sự tăng giảm vào transtor. Máy tính lượng tử (QuC) có thể đáp ứng các yêu cầu về Clock tiến tới vô cùng lớn vì tính toán và truyền thông tin của chúng dựa trên chồng chập lượng tử và vướng víu lượng tử; về lưu trữ dữ liệu giải quyết bộ nhớ ở cấp độ nguyên tử. Tuy nhiên để Máy tính lượng tử làm việc cần thiết lập những điều kiện nghiêm ngặt như: nhiệt độ tuyệt đối, buồng ngăn các hạt hạ nguyên tử…Chi phí vận hành từ đây sinh ra quá lớn. Một khi thế giới đã phát triển hơn, các chi phí vận hành giảm thấp nhờ những phát minh mới (Khoảng năm 2045-về sau ), cuộc cách mạng công nghệ mới sẽ bắt đầu (công nghệ 5.0) trên cơ sở của kỹ thuật máy tính lượng tử.

(nguồn: internet)

1.     Bản chất vật lý của máy tính

1.1  Các trường vật lý trong máy tính để hình thành đơn vị thông tin

a.     Máy tính bán dẫn (PnC)

Về bản chất vật lý, máy tính thao tác trên các các mạch điện tử với các phép toán logic (Đại số Boole)[1] với hai mức logic 1 và 0 có hai loại cơ bản, loại sử dụng các mức thế năng trường điện từ [x(Volt)] với các đơn vị thông tin là bít 1 (a ≥ x ≥ b) và bit 0 (c ≥ x ≥ d) và là a > b >c > d >0. Các bóng đèn điện tử [2]và các transistor bán dẫn[3] thực hiện các bít 1 và 0. Về lịch sử để có máy tính thông thường như hiện nay, con người đã phát triển các máy tính tính toán từ rất lâu, như bảng sau:

Hình 1: Lịch sử phát triển máy tính

Nguồn: Rod Van Meter, Keio University, rdv@sfc.wide.ad.jp, 2011 Aug 17, https://www.bing.com/images/search-transistor

Việc thu nhỏ kích thước của một transistor kéo theo năng lực tính toán của CPU tăng theo. Trong kỹ thuật bán dẫn các transistor dựa trên 3 nhóm phân tử silicon (₁₄Si) hoặc germani(₃₂Ge) theo cấu trúc cơ bản như hình 2

Hình 2: Transistor NPN

Chúng ta biết dòng điện 1mA (miliampere) có nghĩa là có 1 miliCoulomb (mC) điện tích di chuyển qua một điểm trong một giây. Vì mỗi electron mang một điện tích là (-1.6 * 10^-19 Coulomb), số lượng electron di chuyển qua điểm đó trong một giây sẽ được tính[4] vào khoảng 6.25* 10¹⁵ electron di chuyển qua một điểm trong một giây với dòng điện 1mA.

Khi một CPU kiểu Intel Montecito (khoảng 2*10⁹ transistor) điện áp nguồn U=12V, công suất tiêu thụ P=80W. Sẽ có

Hình 3: Luật Moore và giới hạn kích thước của transiator[5]

Nguồn: Inside Telecom - Inside Telecom

b.     Máy tính lượng tử (QuC)

Qubit (viết tắt của Quantum bit) là một khái niệm cơ bản và quan trọng trong lĩnh vực khoa học thông tin lượng tử. Hãy cùng tìm hiểu về cách tạo ra một qubit và liên kết nó với một nguyên tử:

b.1 Tạo ra Qubit:

Qubit có thể được tạo ra từ các hệ vật lý khác nhau, chẳng hạn:

• Electron spin: Sử dụng trạng thái spin của electron trong nguyên tử.
• Photon polarization: Sử dụng trạng thái cực hóa của photon.
• Superconducting circuits: Sử dụng các mạch siêu dẫn để tạo ra qubit.
• Ion traps: Sử dụng các ion trong các bẫy ion để tạo ra qubit.
• Nuclear magnetic resonance (NMR): Sử dụng trạng thái spin của hạt nhân trong phân tử.

Chúng ta tìm hiểu các các cách trên

+ Photon polarization

Trước hết là vấn đề “Hệ lượng tử hai mức”[6] là nói đến hệ hai trạng thái lượng tử. Trong cơ học lượng tử, một hệ hai trạng thái là một hệ có 2 trạng thái lượng tử khả thi, ví dụ spin của một hạt spin-1/2 như electron có thể nhận giá trị +ħ/2 hoặc −ħ/2, với ħ là hằng số Planck rút gọn.Một ví dụ thường được nghiên cứu trong vật lý nguyên tử, là sự thay đổi trạng thái của nguyên tử từ bình thường sang trạng thái kích thích.

Các tính chất vật lý của hệ hai trạng thái trong cơ học lượng tử là tầm thường nếu 2 trạng thái có năng lượng bằng nhau. Tuy nhiên nếu có sự chênh lệch về năng lượng thì động lực học không tầm thường có thể diễn ra[7].

Bất kỳ một hệ lượng tử 2 mức nào cũng có thể được sử dụng để biểu diễn qubit trong thực nghiệm. Ví dụ như trong quang học lượng tử, đối tượng nghiên cứu là photon thì qubit được biểu diễn bằng các trạng thái phân cực ngang hoặc dọc của photon. Trong vật lý nguyên tử, chúng có thể là các trạng thái Zeeman của ion hoặc nguyên tử[8]. Bảng dưới đây liệt kê một số các hệ quan trọng trong các lĩnh vực nghiên cứu liên quan[9]

+ Photon

Photon (còn được gọi là quang tử) là một loại hạt cơ bản trong lĩnh vực khoa học thông tin lượng tử. Dưới đây là cách một photon có thể được chuyển đổi thành qubit:

-Polarization State: Một photon có thể được biểu diễn bằng trạng thái polarization (phân cực) của nó.

Trạng thái polarization của photon có thể là:

• Ngang (Horizontal): Trường điện dao động theo hướng ngang.
• Dọc (Vertical): Trường điện dao động theo hướng dọc.
• Chéo (Diagonal): Trường điện dao động theo hướng chéo.

-Biểu diễn Qubit từ Photon: Một photon có thể được sử dụng để biểu diễn một qubit thông qua trạng thái polarization.

Ví dụ: Nếu chúng ta sử dụng trạng thái ngang là |0⟩ và trạng thái dọc là |1⟩, thì photon có thể biểu diễn qubit.

Như vậy, việc biểu diễn photon thành qubit phụ thuộc vào cách chúng ta chọn trạng thái polarization và cách chúng ta định nghĩa trạng thái |0⟩ và |1⟩ cho qubit.

+ Mạch siêu dẫn

Mạch siêu dẫn là một loại mạch điện đặc biệt không có điện trở. Vật liệu siêu dẫn có điện trở bằng không—do sự chồng lấn của các dải hóa trị và dải dẫn trong quỹ đạo electron của vật liệu siêu dẫn—và sự dẫn điện tử không ma sát này có thể được khai thác trong các mạch điện.

Vật liệu siêu dẫn là một trong những kiến ​​trúc hàng đầu—cùng với chất bán dẫn—cho máy tính lượng tử. Sự hiện diện của tính siêu dẫn trong các mạch này là một thuộc tính quan trọng, ở cấp độ vĩ mô được tạo ra do các thành phần vật chất riêng rẻ trong mạch. Các vật liệu siêu dẫn thể hiện các hiệu ứng lượng tử ở cấp độ nano cụ thể kết hợp với nhau để tạo ra một mạch trong đó dòng điện có thể chạy qua mà không có bất kỳ điện trở nào.

Ở cấp độ cơ bản, các vật liệu siêu dẫn hoạt động theo cách chúng hoạt động do các tương tác cấp nguyên tử trong vật liệu. Ở cấp độ này, các hạt mang điện tạo thành một trạng thái lượng tử duy nhất, được gọi là giếng lượng tử (cũng có thể được gọi là giếng thế). Bên trong các giếng lượng tử này, các electron bị giới hạn về mặt vật lý. Tuy nhiên, mặc dù các electron bị giới hạn về mặt vật lý, nhưng chúng không nhất thiết phải bị giới hạn về mặt điện tử.

Nếu mỗi giếng lượng tử được cách ly khỏi bất kỳ giếng lượng tử nào khác, thì nó sẽ bị giới hạn về mặt điện tử. Tuy nhiên, các electron có thể tạo đường hầm, vì vậy ngay cả khi chúng ở một nơi vật lý, chức năng sóng của chúng có thể vượt ra ngoài phạm vi vật lý của chúng và bên ngoài giếng lượng tử. Vì vậy, nếu bạn có các giếng lượng tử nằm gần nhau, thì các hàm sóng của mỗi electron bị giới hạn có thể chồng chéo và liên kết với nhau. Khi các electron bên trong giếng lượng tử liên kết với nhau, bạn có thể truyền một dòng điện tử giữa chúng mà không có bất kỳ điện trở nào vì không có điện trở giữa các trạng thái lượng tử. Đây là một dòng điện siêu dẫn và có thể được sử dụng như một khối xây dựng cơ học, cơ bản cho các mạch siêu dẫn.

Mặc dù các thuộc tính của các mạch này là hữu ích, nhưng chỉ có một số vật liệu nhất định thể hiện các tính năng này và vẫn còn ít vật liệu hơn có thể điều khiển dòng điện siêu dẫn theo cách được kiểm soát tốt hơn. Do đó, dây nano đã trở thành một trong những lựa chọn hứa hẹn hơn cho các mạch siêu dẫn.

Vì dây nano là vật liệu một chiều (1D), nên các electron bị giới hạn lượng tử trong hai chiều không gian. Điều này có nghĩa là có một chiều không gian nơi các electron có thể tạo đường hầm, cho phép dòng điện chạy theo một hướng, giống như một mạch điện cổ điển. Để có hiệu quả và hoạt động giống như các mạch cổ điển, tính siêu dẫn này cần được khai thác và kiểm soát—và đây là lúc các thành phần lượng tử khác nhau xuất hiện và các mạch siêu dẫn chức năng có thể được tạo ra.

Xây dựng mạch siêu dẫn

Các mạch siêu dẫn được coi là một tùy chọn tiêu thụ điện năng thấp để vận chuyển các qubit siêu dẫn xung quanh các kênh lượng tử và được coi là một trong những khối công nghệ xây dựng tiềm năng. Xét về cấu trúc và thiết lập cơ bản, mạch bán dẫn tương tự như mạch cổ điển và vẫn yêu cầu nhiều thành phần mà thiết lập cổ điển làm, bao gồm nguồn điện, công tắc, cổng, bộ nhớ lượng tử, đầu đọc, v.v., có thể được xây dựng dưới dạng mạch tích hợp và hình thành các chip siêu dẫn có thể cung cấp năng lượng cho các hoạt động lượng tử. Sự khác biệt chính là các thành phần này cần có khả năng xử lý, truyền và giao tiếp các qubit thay vì các bit cổ điển.

Ngoài các thành phần khác nhau, một số loại qubit siêu dẫn khác nhau đã được hiện thực hóa có thể được sử dụng để xây dựng các mạch siêu dẫn. Đây là các qubit pha, điện tích và thông lượng và các hệ thống đang được xây dựng bao gồm cả hệ thống một và nhiều qubit. Các mạch này vẫn còn ở giai đoạn sơ khai, nhưng những cách thức mới đang được phát triển để kiểm soát và điều khiển các mạch này sao cho chúng có thể lưu trữ và truyền dữ liệu, và một loạt các từ trường, điện trường và sự phun điện tử năng lượng cao đều đang cố gắng đạt được mục đích này để các chip siêu dẫn có thể hoạt động theo cách tương tự như các thiết lập cổ điển.

Ưu điểm và nhược điểm của mạch siêu dẫn

Mỗi loại kiến ​​trúc đã được lý thuyết hóa cho các công nghệ lượng tử đều có những ưu điểm và nhược điểm vốn có của riêng chúng. Điều này bao gồm những điều được nói nhiều về các hệ quang tử, cũng như các mạch siêu dẫn. Khi mỗi công nghệ phát triển, những ưu điểm và nhược điểm khác nhau sẽ thay đổi khi những phát triển mới được tạo ra và khi những thách thức mới xuất hiện, một vấn đề thường xãy ra trong quá trình hoàn thiện công nghệ mới.

Như hiện tại, có một số lợi thế khi sử dụng các mạch bán dẫn làm khối xây dựng cơ bản của công nghệ lượng tử. Một lợi thế là về phía qubit vì phương pháp vướng víu này có thể tạo ra các qubit được liên kết chặt chẽ và cả hệ thống đơn và đa qubit đều có thể được tạo ra. Ngoài ra, tiềm năng qubit của các qubit siêu dẫn có thể được kiểm soát và bản chất của các qubit đơn lẻ có thể được sử dụng để xây dựng một bộ cổng lượng tử 'phổ quát'.

Về nhược điểm, dòng điện qua tiếp giáp Josephson có xu hướng rất nhỏ và chúng có thể gây ra tiếng ồn, vì vậy cần phải làm nhiều việc hơn nữa để giảm mức độ tiếng ồn vì điều này rất quan trọng đối với các mạch bán dẫn. Ngoài ra, nhược điểm khác của các mạch siêu dẫn là sự kết hợp của chúng bị hạn chế bởi các khiếm khuyết trong hàng rào đường hầm tiếp giáp Josephson và việc chế tạo thiết bị có thể ảnh hưởng đến các tham số qubit, vì vậy cần phải cẩn thận khi chế tạo để đảm bảo rằng các tham số qubit không thay đổi quá nhiều.

Một trong những ưu điểm chính của các hệ thống này dưới dạng mạch hoàn chỉnh là các nhà khoa học và kỹ sư đang chế tạo chúng trên các con chip giống như máy tính cổ điển. Vì vậy, có tiềm năng ở đây để những con chip này có thể mở rộng. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều việc phải làm với các chip siêu dẫn này để điều khiển và kết nối các thành phần mà không cần thêm các lớp bổ sung vào chip (khiến chúng trở nên cồng kềnh hơn). Vì vậy, mặc dù nó có thể được coi là một lợi thế, nhưng đó là một lợi thế tiềm năng cho tương lai khi một số vấn đề tích hợp chip được giải quyết.

+ Các mối nối Josephson[10]

Một đặc điểm nổi bật của các mạch lượng tử siêu dẫn là việc sử dụng các tiếp giáp Josephson, vì các tiếp giáp này không có trong các mạch dẫn thông thường. Mối nối Josephson là mối nối yếu (làm bằng chất cách điện) giữa hai dây siêu dẫn, nơi các electron có thể chui từ dây này sang dây khác. Đường giao nhau Josephson cho phép các hàm sóng ở hai bên trở nên liên tục và ngăn bất kỳ dòng điện nào vượt quá dòng điện tới hạn. Do đó, các mối nối Josephson rất quan trọng trong nhiều thiết kế chip siêu dẫn cũng như trong các thành phần lượng tử khác nhau.

b.2 Liên kết Qubit với Nguyên tử:

Quá trình liên kết qubit với nguyên tử là một phần quan trọng trong việc xây dựng máy tính lượng tử và thực hiện các phép tính lượng tử.

Một số phương pháp liên kết qubit với nguyên tử như:

• Cơ học lượng tử: Sử dụng tương tác giữa qubit và nguyên tử để truyền thông tin.
• Laser: Sử dụng laser để tạo ra trạng thái qubit và liên kết nó với nguyên tử.

Tóm tắt về bản chất vật lý của PnC và QuC có thể tham khảo qua cách hình thành dữ liệu theo hình dưới đây:

Nguồn: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9274431

1.2  Tính hiệu quả

Thế mạnh của PnC

-      Sử dung trường vật lý là trường điện thế có giá trị cố định với hiệu điện thế một chiều [0, a| 1,2<a<10 VDC]

-        Bít 1-bít 0 tương ứng với hiện tương tự nhiên phổ biến như có-không, sáng-tối, 2V - 0V ;

-      Có quá trình phát triển lâu dài và đầy dủ thuật toán để giải quyết vấn đề thực tế đặt ra;

-      Chi phí năng lượng cho các PnC thấp (ví dụ 0.1W.s-0.5W.s cho các máy PC[11]).

Thế yếu của PnC

-   Tại mỗi thời điểm mỗi bóng điện tử (cổng dữ liệu) chỉ thể hiện một giá trị bít, do đó mỗi thanh ghi N cổng chỉ được giá trị của số nhị phân lớn nhất với 2^N bít 1. Trong trường hợp ghi số lớn hơn cần thuật toán hoặc kiến trúc nhiều thang ghi dữ liệu;

-   Việc mô hình thực tế phải qua nhiều mô hình tính toán, qua nhiều ánh xạ cảm biến vật lý nên khối lượng dữ liệu lớn, chúng được xử lý, tính toán đựa trên các chíp bán dẫn với tốc độ xử lý tới hạn

Thế mạnh của QuC

Đề tạo ra một bít lượng tử -Qubit sử dụng các trạng thái Spin của electron hoặc cực hóa  photon[12]…như trình bày ở mục bản chất vật lý của qubit

Với hiệu ứng vật lý chồng chập lượng tử mỗi bít lượng tử có thể ghi nhiều bít thông tin và chúng được lưu trữ trong một nguyên tử hoặc trong một hệ siêu dẫn…tùy thuộc vào công nghệ chế tạo. Với một kiến trúc cơ bản như hình

Hình 1: Sơ đồ kiến trúc thông dụng

Thế yếu của QuC

Về cơ bản QuC chỉ giải quyết nhanh một thuật toán mà nếu chỉ sử dụng PnC thì sẽ rất lâu, như vậy QuC chỉ là một công đoạn của tính toán, phần còn lại như hiển thị, cấp năng lượng, kiểm soát điều kiện làm việc, và có thể phần lớn dữ liệu và phần mềm… vẫn do PnC đảm trách

2.     Bản chất toán học của máy tính PnC và QuC

Trong lĩnh vực khoa học thông tin lượng tử, qubit là một khái niệm cơ bản và quan trọng. Qubit được định nghĩa là một đối tượng dùng để truyền tải thông tin trên nền tảng lý thuyết thông tin lượng tử và tính toán trên máy tính lượng tử 

Các phép toán đại số trên tập qubit bao gồm:

-Phép chọn (Projection): Chọn một phần của qubit dựa trên một trạng thái cụ thể.

-Phép chiếu (Measurement): Đo trạng thái của qubit, chuyển nó thành một giá trị cụ thể (ví dụ: 0 hoặc 1).

-Phép hợp (Union): Kết hợp hai qubit lại với nhau.

-Phép giao (Intersection): Lấy phần chung của hai qubit.

-Phép tích Descartes (Cartesian Product): Tạo ra tập hợp mới từ tất cả các cặp giá trị từ hai tập hợp qubit ban đầu.

-Phép trừ (Difference): Lấy phần khác nhau giữa hai qubit.

-Phép chia (Division): Chia một qubit cho một qubit khác.

Các phép toán trên có thể thực hiện bởi tối thiểu các cổng:

- Trên PnC: Trong lý thuyết thiết kế mạch điện tử[13] chỉ cần hai cổng NOT (Phép toán trên một bít-cổng đảo bít) và AND (Phép toán trên hai bít-cổng nhân logic hai bít) cũng có thể xây dựng tất cả các hàm logic, nghĩa là các cổng khác như NAND, XOR…đều có thể biểu diễn qua NOT và AND

-Trên QuC[14]:

• Cổng Pauli-X (NOT lượng tử): Hoán đổi giữa trạng thái 0 và 1 của qubit.
• Cổng Hadamard-Cổng dịch pha: Tạo ra trạng thái chồng chập-dịch pha của qubit.
• Cổng CNOT (Controlled-NOT): Thực hiện phép NOT trên qubit thứ hai nếu qubit đầu tiên ở trạng thái 1.

Với tập phép toán tối thiểu {Pauli-X, Hadamard, CNOT} các hàm f(Qubit) được giải quyết, hơn nữa phép toán còn trả lại Qubit nguyên thủy và nó được khai thác như một đơn vị nhớ dữ liệu khi trả về qubit ở cách biểu diễn quả cầu Bloch-Cổng dịch pha

Cụ thể như sau:

     3.  Lập trình cho máy tính QuC[16]

- Chúng ta đã quen thuộc trong Lập trình cho PnC, kiến thức đó hoàn toàn không thể sao chép nguyên bản cho Lập trình với QuC, tuy nhiên về nguyên tắc cơ bản vẫn có thể áp dụng được. Có thể tham khảo các thuật toán Grover[17], thuật toán Shor[18], Simon[19]

4. Ứng dụng của máy tính (ví dụ cho dự án CFD)

- Ứng dụng của máy tính PnC phối hợp với máy tính QuC

Máy tính lượng tử (còn gọi là siêu máy tính lượng tử) là một thiết bị tính toán sử dụng trực tiếp các hiệu ứng của cơ học lượng tử như tính chồng chập và vướng víu lượng tử để thực hiện các phép toán trên dữ liệu đưa vào ¹. Máy tính lượng tử có phần cứng khác hẳn với máy tính kỹ thuật số dựa trên transistor. Trong khi máy tính kỹ thuật số đòi hỏi dữ liệu phải được mã hóa thành các chữ số nhị phân (bit), mà mỗi số được gán cho một trong hai trạng thái (0 và 1), tính toán lượng tử sử dụng các qubit (bit lượng tử) mà chúng có thể ở trong trạng thái chồng chập lượng tử.

Một trong các mô hình lý thuyết về máy tính lượng tử là máy Turing lượng tử hay còn gọi là máy tính lượng tử phổ dụng. Máy tính lượng tử có những đặc điểm lý thuyết chung với máy tính phi tất định (non-deterministic) và máy tính xác suất (probabilistic automaton computers), với khả năng có thể đồng thời ở trong nhiều trạng thái. Lĩnh vực máy tính lượng tử được Yuri Manin nêu ra lần đầu tiên vào năm 1980  và bởi Richard Feynman năm 1982 . Máy tính lượng tử sử dụng tính chất spin đại diện cho các bit lượng tử cũng được hình thành khi khái niệm không thời gian lượng tử được đưa ra vào năm 1969 ⁵. Tính đến năm 2014, tính toán lượng tử vẫn ở giai đoạn sơ khai nhưng đã có nhiều thí nghiệm nhằm thực hiện các phép tính lượng tử trên một số nhỏ các qubit.  Cả phương diện thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết đều đang được triển khai, và chính phủ cũng như quân đội nhiều nước đã hỗ trợ cho các hoạt động nghiên cứu máy tính lượng tử ở cả mục đích dân sự và an ninh, như phân tích mã (cryptanalysis).

-     Trong lĩnh vực mô hình tính toán động học cho chất lưu CFD vấn đề phản ánh và phản hồi từ đối tượng với khối lượng thông tin lớn luôn là thách thức do sự xử lý thông tin (trên cơ sở máy tính PnC hiện nay) rất chậm sau đối với diễn biến thực tế, nhất là máy tính phân tích và xử lý thông tin ở rất xa máy tính trực tiếp điều khiển đối tượng. Với công nghệ truyền thông trên cơ sở qubit (Viễn tải lượng tử) thông tin truyền như tức thời (vướng víu lượng tử)

Hình 2: Sơ đồ phối hợp ứng dụng của máy tính PnC phối hợp với máy tính QuC

Trên sơ đồ hình 2, quá trình nhanh (dựa trên QuC) sẽ thực hiện theo các khối với chu trình 1-2-3-4-1. Trong khi chu trình chậm truyền thống (dựa trên máy tính PnC) là 3-6-7-5-4. Phương pháp này giống như hoạt động của hệ thần kinh con người: Tiểu não và các hạch thần kinh làm việc tự động và “tức thời”, đại não lo vấn đề chậm hơn là thời gian sau ta sẽ làm gì[20]!

 

5. Công nghệ sau 4.x (5.0) và vai trò của Viễn tải Lượng từ

Hiện nay, có một số công ty và tổ chức nổi tiếng đang hoạt động trong lĩnh vực máy tính lượng tử. Dưới đây là một số tên máy tính lượng tử và nhà sản xuất:

-  Quantinuum:

o    Quantinuum là tập đoàn độc lập lớn nhất về máy tính lượng tử sau khi công ty Honeywell Quantum Solutions và công ty Cambridge Quantum Computing hoàn tất thủ tục sáp nhập ¹.

-  IBM:

o    IBM đã giới thiệu máy tính lượng tử có 5bit lượng tử (Qubit) với tên gọi IBM Q Experience ².

-  Google:

o Google cũng đã phát triển máy tính lượng tử có tên là Sycamore, được thiết kế để thực hiện các phép tính lượng tử khó nhằn mà các máy tính truyền thống không thể làm được ².

-  Microsoft, D-Waves Systems, Alibaba, Nokia, Intel, Airbus, HP, Toshiba, Mitsubishi, SK Telecom, NEC, Raytheon, Lockheed Martin, Rigetti, Biogen, Volkswagen, và Amgen cũng đều hoạt động trong lĩnh vực máy tính lượng tử ³.

Các công ty này đang nỗ lực để phát triển và ứng dụng công nghệ máy tính lượng tử trong nhiều lĩnh vực khác nhau. 

Kết luận:

Máy tính PnC vẫn có chỗ đứng gần như không thể thay thế trong tương lai (nền tảng công nghệ 4.x)

Trong lĩnh vực tính toán, thực tế khi có đủ thời gian và tài nguyên, máy tính cổ điển có thể thực hiện bất kỳ một thuật toán lượng tử.

Máy tính lượng tử quy mô lớn sẽ có khả năng giải được các vấn đề phức tạp một cách nhanh hơn bất kỳ máy tính cổ điển sử dụng các thuật toán tốt nhất hiện nay, như thuật toán Shor để phân tích số tự nhiên thành tích các số nguyên tố, hoặc mô phỏng hệ lượng tử nhiều hạt. Cũng có những thuật toán lượng tử, như thuật toán Simon, cho phép máy tính hoạt động nhanh hơn bất kỳ máy tính dựa trên thuật toán xác suất cổ điển.

Máy tính QuC sẽ sớm xuất hiện trong các công nghệ phục vụ phát triển trong KH-CN trong tương lai gần (khoảng 20 năm sau-2045), lúc này nền tảng vật lý về công nghệ vật liệu lượng tử đã đảm bảo cho sự phát triển công nghệ các chips lượng tử. Cũng có thể quá trình phát triển của máy tính lượng từ (QuC) cũng có bước đi tương tự như máy tính thông dụng hiện nay (PnC). So sánh như vậy , lúc này, QuC có bước đi đầu tiên như PnC của những năm 1970 với các máy tính dùng đèn điện tử .

 

---