Máy tính lượng tử khác gì máy tính truyền thống, có thể giải quyết những gì?

Máy tính lượng tử khác gì máy tính truyền thống?

Máy tính truyền thống xử lý thông tin bằng các bit, mỗi bit biểu diễn một trong hai trạng thái 0 hoặc 1. Trong khi đó, máy tính lượng tử sử dụng bit lượng tử, gọi là qubit, có thể khai thác những hiện tượng như chồng chập và vướng víu lượng tử để thực hiện một số phép tính theo cách hoàn toàn khác biệt.

Điều này không có nghĩa máy tính lượng tử thử tất cả đáp án có thể cùng một lúc. Theo hướng dẫn về điện toán lượng tử của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST), việc trích xuất thông tin hữu ích từ một phép tính lượng tử đòi hỏi các thuật toán được thiết kế cẩn thận.

Ưu thế của công nghệ này nằm ở khả năng thao tác với những trạng thái lượng tử phức tạp, giúp một số bài toán có thể được giải quyết dễ dàng hơn đáng kể so với phương pháp tính toán truyền thống.

Dù vậy, qubit rất dễ bị tác động bởi môi trường bên ngoài. Chỉ những nhiễu loạn nhỏ cũng có thể gây ra lỗi. Vì thế, các nhà nghiên cứu cần phát triển những hệ thống sửa lỗi ngày càng phức tạp trước khi máy tính lượng tử có thể thực hiện đáng tin cậy các phép tính kéo dài.

Các nhà nghiên cứu của IBM đang làm việc với phần cứng dùng để kiểm tra l-coupler giữa các bộ xử lý IBM Quantum Nighthawk. Ảnh: IBM

Dưới đây là những vấn đề máy tính lượng tử có thể giải quyết:

1. Phát triển thuốc và hóa chất tốt hơn

Một trong những ứng dụng triển vọng nhất của máy tính lượng tử là hóa học lượng tử. Các phân tử vận hành theo những quy luật của cơ học lượng tử, khiến máy tính lượng tử trở thành công cụ có tiềm năng phù hợp để mô phỏng chúng.

Ngay cả máy tính truyền thống mạnh cũng khó mô hình hóa chính xác một số tương tác hóa học phức tạp, đặc biệt trong các hệ có electron tương quan mạnh. Máy tính lượng tử có thể mô phỏng trực tiếp hơn những tương tác này trong tương lai, giúp giới nghiên cứu hiểu rõ cách các phân tử hoạt động và phản ứng với nhau.

Ứng dụng này có thể tạo tác động đáng kể đến quá trình phát triển thuốc, sản xuất hóa chất và chế tạo chất xúc tác hiệu quả hơn. Chẳng hạn, các nhà khoa học có thể nghiên cứu cấu trúc phân tử và con đường phản ứng để xác định những hợp chất hoặc quy trình hóa học tiềm năng.

Một hướng nghiên cứu đáng chú ý là phát triển chất xúc tác tốt hơn cho quá trình sản xuất amoniac, thành phần quan trọng trong công nghiệp phân bón. Các phản ứng hóa học hiệu quả hơn cũng có thể giúp giảm năng lượng tiêu thụ trong sản xuất công nghiệp.

Một bài nghiên cứu đăng trên tạp chí Journal of Chemical Theory and Computation năm 2025, với sự tham gia của các nhà khoa học đến từ nhiều phòng thí nghiệm quốc gia và trường đại học, đã chỉ ra những ứng dụng tiềm năng trong quang hóa học và thiết kế vật liệu. Nghiên cứu đề cập đến các hệ thống lượng tử chịu lỗi (duy trì vận hành ổn định ngay cả khi một hoặc nhiều thành phần bên trong gặp sự cố) ở giai đoạn đầu, với khoảng 25-100 qubit logic.

Những thử nghiệm đầu tiên mang lại giá trị khoa học có thể xuất hiện trong vài năm tới, khi các hệ thống lượng tử chịu lỗi được đưa vào sử dụng. Tuy nhiên, ứng dụng rộng rãi trong phát triển dược phẩm và hóa học công nghiệp có thể cần thêm nhiều thời gian, thậm chí kéo dài đến thập niên 2030.

2. Tìm ra pin và vật liệu tốt hơn

Máy tính lượng tử có thể hỗ trợ nghiên cứu hành vi của electron trong các vật liệu phức tạp, qua đó thúc đẩy quá trình tìm kiếm thành phần pin tốt hơn, vật liệu siêu dẫn, pin mặt trời và các vật liệu công nghiệp mới.

Hướng ứng dụng này có mối liên hệ chặt chẽ với bài toán hóa học, nhưng tác động có thể mở rộng sang lĩnh vực năng lượng và sản xuất. Những mô phỏng chính xác hơn sẽ giúp các nhà khoa học hiểu tại sao một số vật liệu có khả năng dẫn điện, lưu trữ năng lượng hoặc sở hữu đặc tính từ tính khác thường.

Sáng kiến Quantum Genesis của Bộ Năng lượng Mỹ cũng xác định hóa học, khoa học vật liệu, vật lý plasma và vật lý năng lượng cao là những lĩnh vực có tiềm năng ứng dụng điện toán lượng tử.

Các ứng dụng nghiên cứu có thể bắt đầu phát triển mạnh hơn vào cuối thập niên 2020. Những bước tiến đáng kể trong việc khám phá vật liệu mới có thể xuất hiện trong thập niên 2030. 

3. Phá vỡ các hệ thống mã hóa hiện tại

Không phải ứng dụng tiềm năng nào của máy tính lượng tử cũng mang lại tin vui. Nhiều hệ thống mã hóa đang được sử dụng rộng rãi dựa trên những bài toán toán học mà máy tính truyền thống rất khó giải.

Một ví dụ là bài toán phân tích một số nguyên rất lớn thành các thừa số nguyên tố, nền tảng bảo mật của hệ thống mã hóa RSA.

Năm 1994, nhà toán học Peter Shor phát triển một thuật toán lượng tử có khả năng giải quyết bài toán này hiệu quả về mặt lý thuyết. Nếu được vận hành trên một máy tính lượng tử đủ mạnh, thuật toán có thể đe dọa RSA cùng nhiều hệ thống mật mã khóa công khai khác.

Điều đó không có nghĩa những máy tính lượng tử hiện nay có thể xâm nhập tài khoản ngân hàng hay giải mã dữ liệu truyền qua Internet. Chúng vẫn còn cách rất xa năng lực cần thiết.

Tuy nhiên, nguy cơ này đủ nghiêm trọng để chính phủ và các công ty công nghệ bắt đầu chuẩn bị phương án thay thế. NIST đã công bố các tiêu chuẩn mật mã hậu lượng tử, được thiết kế để chống lại cả những cuộc tấn công từ máy tính truyền thống lẫn máy tính lượng tử trong tương lai.

Theo báo cáo của Văn phòng Trách nhiệm Chính phủ Mỹ (GAO) công bố tháng 10/2026, các chuyên gia nhận định máy tính lượng tử đủ khả năng phá vỡ những hệ thống mật mã hiện hành có thể xuất hiện sớm nhất trong thập niên 2030, dù các dự báo vẫn còn khác biệt.

Quá trình chuyển đổi sang công nghệ mã hóa chống lượng tử đã bắt đầu. Nguyên nhân là những dữ liệu nhạy cảm bị thu thập ngày nay có thể vẫn còn giá trị trong nhiều thập kỷ tới.

4. Giải quyết các bài toán tối ưu hóa phức tạp

Máy tính lượng tử cũng có thể hỗ trợ những bài toán liên quan đến số lượng tổ hợp khổng lồ.

Chẳng hạn, việc sắp xếp lịch bay của các hãng hàng không, tối ưu chuỗi cung ứng công nghiệp, điều phối lưới điện hay quản lý các hoạt động sản xuất phức tạp đều đòi hỏi lựa chọn phương án tốt nhất trong vô số khả năng. Quá trình tìm kiếm có thể tiêu tốn rất nhiều tài nguyên tính toán.

Các thuật toán lượng tử trong tương lai có thể giúp khám phá một số bài toán tối ưu hóa hiệu quả hơn, đặc biệt khi kết hợp với máy tính truyền thống.

Tuy nhiên, đây cũng là lĩnh vực cần được nhìn nhận thận trọng. Hiện chưa có bằng chứng xác thực cho thấy máy tính lượng tử sẽ thường xuyên vượt trội những phương pháp tính toán cổ điển tốt nhất trong các bài toán tối ưu hóa kinh doanh thông thường.

Các thử nghiệm đã được triển khai, nhưng lợi thế đủ lớn để tạo giá trị thương mại vẫn chưa rõ ràng. Một số bài toán tối ưu hóa có thể hưởng lợi từ công nghệ lượng tử vào cuối thập niên 2020 hoặc trong thập niên 2030. Tuy nhiên, cũng có những bài toán có thể không bao giờ đạt được lợi thế lượng tử đủ đáng kể để ứng dụng thực tế.

Khi nào kỷ nguyên máy tính lượng tử thực sự bắt đầu?

Lộ trình phát triển hiện tại của IBM đặt mục tiêu xây dựng hệ thống lượng tử chịu lỗi quy mô lớn vào năm 2029. Trong khi đó, sáng kiến Quantum Genesis của Bộ Năng lượng Mỹ hướng tới trình diễn các hệ thống chịu lỗi có ý nghĩa khoa học vào năm 2028.

Máy tính lượng tử không thay thế máy tính truyền thống mà hoạt động song song với siêu máy tính cổ điển và các hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI), đảm nhiệm những phép tính chuyên biệt mà phần cứng truyền thống đặc biệt khó xử lý.

Những đột phá đầu tiên có thể không xuất hiện dưới dạng một thiết bị tiêu dùng hào nhoáng. Thay vào đó, thành quả của công nghệ này có thể hiện diện trong một loại pin tốt hơn, quy trình sản xuất hóa chất tiết kiệm năng lượng hơn hoặc những hiểu biết mới về cách một phân tử phức tạp vận hành.

(Theo Interesting Engineering)