Năm nay đánh dấu kỷ niệm 50 năm của Intel 4004, bộ vi xử lý đầu tiên trên thế giới và là thành tựu kỹ thuật tiếp tục phát triển với tốc độ chóng mặt. Dựa trên sự thành công của Định luật Moore và quy mô của Dennard, các máy tính ngày nay lấn át những bước đột phá của các bộ vi xử lý của những năm trước. Trên thực tế, điện thoại di động hoặc máy tính bảng bạn đang sử dụng hiện có nhiều khả năng tính toán hơn so với các siêu máy tính vào đầu thế kỷ. Kết hợp sức mạnh xử lý đó với sự gia tăng nhanh chóng của máy học và các đột phá thuật toán khác, và chúng ta sắp bước vào cái mà những người chiến thắng Giải thưởng Turing 2017 gọi là “Kỷ nguyên vàng mới của kiến trúc máy tính”.
Đến được thời điểm này mặc dù không phải là một kỳ công dễ dàng. Trong vài thập kỷ qua, những bộ óc lỗi lạc nhất trong lĩnh vực vật lý, kiến trúc máy tính và thiết kế phần mềm cần phải liên kết với nhau để khai thác và kiểm soát các đặc tính cổ điển của điện tử cho tính toán. Cùng nhau, họ đã xây dựng toàn bộ hệ sinh thái xung quanh hàng tỷ số 0 và 1 kỹ thuật số, bao trùm toàn bộ ngăn xếp từ thuật toán đến trình biên dịch, bộ vi xử lý đến cổng kỹ thuật số.
Những gì chúng ta có thể coi là hiển nhiên khi khởi động PC cao cấp hoặc liên tục kiểm tra điện thoại của mình là đỉnh cao của hàng thập kỷ nghiên cứu, triển khai và lặp đi lặp lại và rất có thể sẽ tiếp tục trong tương lai gần.
Hay nó sẽ?
Máy tính lượng tử đang bắt đầu xuất hiện trong nhiều ngành công nghiệp và phòng thí nghiệm nghiên cứu (IBM, Intel, Microsoft, Google, v.v.). Các chính phủ đang đổ tiền vào nghiên cứu điện toán lượng tử trên nhiều quốc gia. Số lượng bit lượng tử (hoặc qubit ) trong các máy này dường như tăng lên mỗi khi một nguyên mẫu mới được công bố. Có phải chỉ là vấn đề thời gian cho đến khi chúng ta có những cỗ máy mạnh mẽ này trong tầm tay?
Phần cứng máy tính lượng tử:
IBM (trên) và Microsoft (dưới)
Vâng, không hoàn toàn. Trong thang thời gian của các sự kiện, có lẽ chúng ta vẫn đang ở thời đại ống chân không tương đương với máy tính lượng tử. Các nhà nghiên cứu hệ thống gọi đây là kỷ nguyên “lượng tử quy mô trung gian ồn ào” (NISQ, phát âm tương tự như “RISC” và “CISC” ), trong đó các bộ xử lý lượng tử bắt đầu hứa hẹn về tính ưu việt tính toán đối với một số vấn đề nhất định, nhưng hoạt động trong một chế độ rất ồn ào điều đó rất dễ xảy ra sai sót. Để đạt được sự áp dụng trên quy mô rộng mà các máy tính cổ điển yêu thích, cần phải phát triển và triển khai nhiều cải tiến và kỹ thuật hơn nữa trên toàn hệ thống, tương tự như sự phát triển của máy tính cổ điển.
Đồng thời, máy tính lượng tử nhiều khả năng sẽ không thay thế máy cổ điển mà thay vào đó sẽ hoạt động cùng với máy tính cổ điển để tăng tốc một số ứng dụng nhất định. Điều này tương tự như cách GPU ngày nay thường được sử dụng để tăng tốc xử lý đồ họa và pixel. Cuối cùng, phần cứng điện toán lượng tử thường được gọi là QPU hoặc đơn vị xử lý lượng tử và đang/sẽ được điều khiển bởi bộ xử lý chủ như CPU. Trên thực tế, một thuật toán lượng tử thường liên quan đến quá trình xử lý trước hoặc sau cổ điển và sẽ cần được kiến trúc theo cách để hoạt động như một bộ đồng xử lý với các hệ thống cổ điển.
Giống như các nhà khoa học và các học viên đã cùng nhau dẫn dắt chúng ta vào Thời đại Thông tin hiện tại, họ phải làm như vậy một lần nữa đối với máy tính lượng tử. Tuy nhiên, lần này, thay vì khai thác và thuần hóa các tính chất cổ điển của electron, thách thức là kiểm soát các tính chất lượng tử của vũ trụ của chúng ta và tận dụng tính chất đó để tính toán.
Hành trình lượng tử này sẽ đưa chúng ta quay ngược thời gian về đầu thế kỷ 20, quay lại những bất đồng trí tuệ giữa Albert Einstein và Niels Bohr về bản chất của thế giới vật chất mà tất cả chúng ta đang sống.
Máy tính hiện đại chỉ sử dụng 2 trạng thái: bật và tắt (1 và 0). Chúng tôi đã khai thác những khả năng đó để thực hiện các hoạt động logic trên quy mô lớn, nơi các bộ xử lý hiện đại có thể thực hiện hàng tỷ hoạt động như vậy mỗi giây.
Điện toán lượng tử thay đổi mô hình và hoạt động dựa trên các nguyên tắc của cơ học lượng tử, trong đó các trạng thái không còn là hệ nhị phân và có thể đồng thời là 1 VÀ 0. Nghiên cứu về điện toán lượng tử đang ở giai đoạn rất sớm và các phép tính chúng ta có thể thực hiện ngày nay không ổn định và dễ bị lỗi. Người ta tin rằng trong những năm và thập kỷ tới, khả năng tính toán lượng tử sẽ vượt xa những gì chúng ta có thể làm với máy tính “cổ điển”, đặc biệt là để giải quyết một số vấn đề tính toán vốn rất khó khăn với các bộ vi xử lý ngày nay.
Nhưng, tất nhiên, đó là hầu như không nắm bắt được những điều cơ bản. Đọc tiếp khi chúng tôi giải thích chủ đề hấp dẫn này.
Trước khi đi sâu vào tìm hiểu cách thức hoạt động của máy tính lượng tử, cần phải tìm hiểu sơ lược về bản chất lượng tử của các hạt. Các tính chất lượng tử khác biệt đáng kể so với các tính chất cổ điển và chính những tính chất này đặc biệt cung cấp cho máy tính lượng tử khả năng tính toán “mạnh mẽ” của chúng. Thay vì rút ra các công thức chi phối máy tính lượng tử, chúng tôi cố gắng nắm bắt sự hiểu biết khái niệm về các tính chất lượng tử ở đây giúp cung cấp nhiên liệu cho máy tính lượng tử.
Năm 1927, Hội nghị Solvay diễn ra tại Brussels, Bỉ. Các nhà vật lý vĩ đại nhất thời bấy giờ đã cùng nhau thảo luận về nền tảng của thuyết lượng tử mới hình thành. 17 trong số 29 người tham dự đã hoặc đã trở thành người đoạt giải Nobel. Tại trung tâm của hội nghị lịch sử này là hai bộ óc có quan điểm trái ngược nhau: Niels Bohr, nhà vô địch của thuyết lượng tử mới hình thành, và Albert Einstein, người đã vạch trần thuyết lượng tử là “hoàn toàn sai lầm”.
Trong suốt hội nghị kéo dài một tuần, Einstein sẽ đưa ra các thử thách và thử nghiệm tưởng tượng tại Bohr, với nội dung là tìm ra các sai sót trong lý thuyết lượng tử. Mỗi ngày, Bohr và các đồng nghiệp sẽ nghiên cứu từng thách thức và đưa ra phản bác cho Einstein vào bữa sáng hôm sau. Bohr thậm chí đã có lần sử dụng Thuyết tương đối của Einstein để chống lại ông. Vào cuối hội nghị, người ta cho rằng Bohr đã thắng cuộc tranh luận, đưa ra một phản biện cho mọi thách thức của Einstein.
Tuy nhiên, Einstein vẫn chưa bị thuyết phục. Bất chấp những phản ứng của Bohr, giờ đây Einstein tin rằng thuyết lượng tử phải thiếu một cái gì đó . Năm 1933, Einstein định cư ở Princeton, NJ, và tuyển dụng Nathan Rosan và Boris Podelsky để tìm ra một lỗ hổng tiềm tàng trong cơ học lượng tử. Làm việc cùng nhau, họ đã phát hiện ra một nghịch lý trong toán học của vật lý lượng tử! Nghịch lý Einstein-Podolsky-Rosen (hay nghịch lý EPR) đã tìm thấy mối liên hệ dường như không thể thực hiện được giữa các hạt. Cụ thể, họ phát hiện ra rằng hai hạt ở khoảng cách xa có thể biểu thị hành vi tương quan và phù hợp trong thế giới thực.
Ví dụ, hãy tưởng tượng hai hạt, mỗi hạt ẩn dưới một chiếc cốc riêng biệt cách nhau một khoảng (ví dụ: một mét). Theo toán học, việc khám phá và nhìn vào hạt bên dưới một trong những chiếc cốc sẽ tiết lộ một cách bí ẩn hạt còn lại bên dưới chiếc cốc thứ hai có các đặc tính phù hợp. Einstein nổi tiếng gọi đây là “tác động ma quái ở khoảng cách xa”. Trên thực tế, bài báo về nghịch lý EPR là công trình được Einstein tham khảo nhiều nhất, và nhiều nhà vật lý cũng như nhà thực nghiệm đã cố gắng giải quyết và giải thích nghịch lý này trong những năm sau đó. Có thí nghiệm nào có thể chứng minh Einstein hay Bohr đúng không?
Bất chấp một nếp nhăn (mặc dù lớn) này trong các phương trình đẹp đẽ của cơ học lượng tử, thuyết lượng tử vẫn phát triển. Dự án Manhattan vào những năm 1940, việc phát hiện ra tia laser và thậm chí cả sự phát triển của bóng bán dẫn (các khối xây dựng của máy tính cổ điển) đều được xây dựng trên “suy đoán” rằng thuyết lượng tử là đúng. Mãi cho đến những năm 1960, vấn đề vướng víu lượng tử mới thực sự được giải đáp.
Trong khi những khám phá khoa học dựa trên cơ học lượng tử tiếp tục xuất hiện, những thách thức lý thuyết do nghịch lý EPR đặt ra đã khiến nhiều nhà vật lý bối rối trong nhiều thập kỷ. Nổi tiếng là suy nghĩ về lượng tử đã khiến mọi người bị đuổi khỏi khoa vật lý! Tuy nhiên, John Bell, một nhà vật lý đến từ Bắc Ireland, đã đủ bối rối về nghịch lý EPR, đến mức ông quyết định tìm hiểu nó trong thời gian rảnh rỗi khi đang làm “công việc hàng ngày” với tư cách là nhà vật lý hạt tại CERN ở Geneva.
Năm 1964, Bell xuất bản một bài báo có tựa đề “Về nghịch lý Einstein-Podolsky-Rosen”, trong đó ông có thể chứng minh rằng các phương trình của Einstein và Bohr đưa ra các dự đoán khác nhau! Nhìn lại, đây là một bài báo cực kỳ cách mạng trong lịch sử vật lý. Tuy nhiên, như lịch sử sẽ có, nó đã được xuất bản trên một tạp chí khoa học ít được biết đến (tạp chí đó thậm chí sẽ được gấp lại sau vài năm), chỉ để phủ bụi trên kệ.
Đó là, cho đến khi nó tình cờ rơi xuống bàn của John Clauser vào năm 1972. Clausr hoàn toàn yêu thích bài báo, nhưng nghĩ, “đâu là bằng chứng thực nghiệm để chứng minh điều này?” Anh quyết định làm một thí nghiệm để kiểm tra nó.
Làm việc tại UC Berkeley với Stuart Freedman và sử dụng các tia laze mới được phát hiện gần đây, quá trình thiết lập rất đơn giản: chiếu tia laze vào một nguồn nguyên tử canxi, nguồn này sẽ phát ra một cặp photon mà (theo thuyết lượng tử) sẽ bị vướng víu. Họ đo các photon bằng máy dò phía sau bộ lọc và kiểm tra xem các photon có tương quan với nhau khi chúng đi qua bộ lọc hay không. Trước sự ngạc nhiên của nhiều người, nó phù hợp với dự đoán của Bohr, minh họa rằng mối liên hệ “ma quái” giữa các photon đã khớp với kết quả thí nghiệm.
Tuy nhiên, không phải ai cũng hoàn toàn tin vào thí nghiệm này. Một số lập luận rằng các bộ lọc có thể không thực sự ngẫu nhiên và có thể ảnh hưởng đến các phép đo được thực hiện trong quá trình thử nghiệm. Tuy nhiên, vào năm 2017, một Thử nghiệm Chuông vũ trụ toàn diện đã được thực hiện. Lần này, các nhà vật lý từ Đại học Vienna đã thiết kế một thí nghiệm tương tự như phiên bản năm 1974, nhưng sử dụng ánh sáng từ hai chuẩn tinh 8 tỷ năm tuổi để điều khiển các bộ lọc trên hai kính viễn vọng cho thí nghiệm. Kết quả cho thấy một kết quả tương tự: trên thực tế, các hạt ở khoảng cách xa bị vướng víu.
Đây là một khái niệm cơ bản đằng sau cách thức hoạt động của máy tính lượng tử. Các thành phần cơ bản của máy tính hiện đại là “bit”, khi được xâu chuỗi lại với nhau có thể mã hóa thông tin và thực hiện tính toán. Mặt khác, các bit lượng tử (hoặc qubit) thực sự bị vướng víu với nhau. Thao tác với một qubit thực sự có thể ảnh hưởng đến một qubit khác trong hệ thống. Hành vi vướng víu như vậy có thể cực kỳ biểu cảm về lượng thông tin có thể được lưu trữ và thao tác. Tuy nhiên, như bạn có thể tưởng tượng, vẫn còn nhiều vật lý lượng tử cần gỡ rối để máy tính lượng tử được hiện thực hóa.
Rối lượng tử chỉ là một phần của phương trình làm cho máy tính lượng tử về cơ bản khác với các máy tính cổ điển của chúng. Một khái niệm quan trọng khác là sự chồng chất lượng tử. Nguyên lý này nói rằng một hạt lượng tử có thể tồn tại ở nhiều trạng thái chồng chất cùng lúc cho đến khi nó được đo.
Trước tiên, hãy giải nén phần thứ hai của tuyên bố đó, liên quan đến các phép đo của một hạt lượng tử. Tính chất này thường gắn liền với nhà vật lý người Áo, Erwin Schrödinger, và thí nghiệm tư duy lý thuyết của ông về một con mèo trong hộp. Nói một cách đơn giản, Schrödinger tuyên bố rằng nếu bạn đặt một con mèo và một thứ gì đó có thể giết chết con mèo (một nguyên tử phóng xạ) trong một chiếc hộp và niêm phong nó, bạn sẽ không biết con mèo đó còn sống hay đã chết cho đến khi bạn mở chiếc hộp ra. cho đến khi chiếc hộp được mở ra, con mèo (theo một nghĩa nào đó) vừa “chết vừa sống”.
Nói rộng hơn, có một xác suất không đáng kể là con mèo đã chết, và cũng có một xác suất không đáng kể là con mèo còn sống khi chiếc hộp được đóng lại. Chỉ khi bạn mở hộp, bạn mới có thể chắc chắn liệu con mèo thực sự còn sống hay đã chết, nhưng tại thời điểm đó, “hệ thống” bị hỏng khi thực hiện phép đo.
Đối với một ví dụ kỹ thuật hơn: Một bit cổ điển, đơn lẻ chỉ có thể ở một trong hai giá trị có thể: 0 hoặc 1. Một bit lượng tử có thể là một phần 0 và một phần 1 cùng một lúc, chính thức hơn được gọi là chồng chất của hai các giá trị. Do đó, trước khi đo, một bit lượng tử có thể (ví dụ) là 25% 0 và 75% 1. Tuy nhiên, sau khi được đo, giá trị quan sát được sẽ là 0 hoặc 1 (không phải cả hai). Về mặt xác suất, nếu bạn thực hiện hàng trăm nghìn phép đo trên qubit này, bạn sẽ mong đợi nó bằng 0 cho 25% phép đo và 1 cho 75% phép đo còn lại. Mặc dù không có phép đo, nó thực sự ở trạng thái chồng chất của cả 0 và 1.
Bản chất lượng tử này của các hạt một lần nữa về cơ bản gây khó hiểu cho tư duy điện toán cổ điển của chúng ta. Tuy nhiên, nó thực sự hoạt động rất tốt từ góc độ toán học. Nếu chúng ta coi các phép tính cổ điển là các phép toán theo định luật đại số boolean, thì các phép tính lượng tử hoạt động theo các quy tắc của đại số tuyến tính. Điều này bổ sung một mức độ phức tạp hoàn toàn mới trong thiết kế máy tính lượng tử, nhưng cũng làm tăng tính biểu cảm của các khối xây dựng cơ bản của máy tính.
Sự vướng víu và chồng chất có thể được coi là hiện tượng vật lý cho phép xử lý lượng tử. Than ôi, tự nhiên không làm cho việc khai thác sức mạnh của chúng trở nên tầm thường, do sự mất kết hợp lượng tử.
Trong các máy tính cổ điển, chúng ta đã làm chủ được khả năng duy trì điện tích trong một bóng bán dẫn sao cho nó duy trì ở mức “0” hoặc “1” trong suốt thời gian tính toán và thậm chí có thể xa hơn khi lưu trữ dữ liệu trong các cấu trúc bộ nhớ cố định. Tuy nhiên, trong một hệ thống lượng tử, qubit có xu hướng bị phá vỡ theo thời gian hoặc bị tách rời. Điều này khiến cho việc thực hiện các tính toán trong lĩnh vực lượng tử trở nên vô cùng khó khăn, chứ đừng nói đến việc cố gắng kiểm soát nhiều qubit vốn cũng bị vướng víu với nhau.
Vấn đề này quay trở lại thời đại NISQ (hãy nhớ rằng, lượng tử ở quy mô trung bình ồn ào) mà chúng ta hiện đang trải qua. Mặc dù chúng tôi thấy các máy tính lượng tử chào mời hàng chục qubit trong hệ thống của chúng, nhưng chỉ một số ít (3-5) thực sự được sử dụng cho các tính toán hữu ích.
Các qubit còn lại chủ yếu ở đó để sửa lỗi trong môi trường ồn ào mà chúng tôi đang cố gắng kiểm soát ở cấp độ lượng tử. Nghiên cứu hiện tại được đầu tư rất nhiều vào việc cố gắng kiểm soát đúng các trạng thái lượng tử mặc dù có nhiễu ở cấp độ hạt và để làm được như vậy là vô cùng khó khăn.
Vật lý lượng tử đã mở ra cánh cửa cho một thế giới khả năng hoàn toàn mới. Điều đó nói rằng, hiểu một cách cơ bản cách thức hoạt động của cơ học lượng tử cũng như cách kiểm soát và khai thác nó để thiết kế máy tính lượng tử là một thách thức hoàn toàn khác.
Nhưng hãy giả sử trong một phút rằng chúng ta có khả năng công nghệ để kiểm soát hoàn toàn các hạt lượng tử để tính toán và tiếng ồn đó không phải là vấn đề. Trong một thế giới như vậy, máy tính lượng tử sẽ cho phép chúng ta làm những gì mà máy tính cổ điển không thể làm được? Về mặt kỹ thuật, thuật toán nào cấp cho chúng ta ưu thế lượng tử so với các thuật toán cổ điển của chúng?
Các thuật toán lượng tử nổi tiếng nhất đã khuyến khích đầu tư lớn vào nghiên cứu điện toán lượng tử là Thuật toán Shor để phân tích thừa số nguyên và Thuật toán Grover để tìm kiếm.
Thuật toán của Shor giải quyết vấn đề, “Cho một số nguyên, tìm tất cả các thừa số nguyên tố của nó.” Thừa số nguyên là trung tâm của nhiều chức năng mã hóa, đặc biệt là do độ phức tạp tính toán cần thiết để giải nó cho số lượng lớn. Thuật toán lượng tử nhanh hơn theo cấp số nhân so với phiên bản cổ điển tốt nhất và nó làm như vậy bằng cách tận dụng các tính chất đã nói ở trên của rối lượng tử và chồng chập lượng tử. Xét về hậu quả trong thế giới thực, điều này có thể phá vỡ hiệu quả bảo mật mật mã mà ngày nay chúng ta dựa vào cho nhiều ứng dụng (nếu máy tính lượng tử rơi vào tay kẻ xấu).
Thuật toán của Grover cũng vượt trội hơn so với các thuật toán tìm kiếm cổ điển. Trong khi hầu hết các thuật toán cổ điển ít nhất cần “nhìn thấy” hầu hết các đối tượng trong quá trình tìm kiếm, thuật toán Grover có thể làm như vậy bằng cách chỉ quan sát căn bậc hai của tất cả các đối tượng để hoàn thành tìm kiếm với xác suất rất cao. Vì tìm kiếm là trung tâm của nhiều thuật toán, nên Thuật toán Grover có thể thay đổi đáng kể bối cảnh của các tính toán khoa học và tăng tốc khám phá trong nhiều lĩnh vực vấn đề.
Đối với một ví dụ đáng kinh ngạc về uy quyền lượng tử, điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể kết hợp sức mạnh của Thuật toán Shor với thuật toán của Grover? Nếu chúng tôi muốn bẻ khóa mật khẩu N-bit, các máy cổ điển sẽ cần thử tuần tự tất cả các kết hợp mật khẩu có thể có, cho đến khi kết hợp đúng sẽ mở khóa hệ thống (do đó, sức mạnh mật mã mà chúng tôi hiện đang tận hưởng). Tuy nhiên, trong một hệ thống N-qubit, máy lượng tử của chúng ta về mặt lý thuyết có thể khám phá tất cả các kết hợp này đồng thời (cảm ơn, sự chồng chất!). Sau đó, chúng tôi có thể sử dụng thuật toán của Grover để sàng lọc tất cả các kết hợp này (“nhanh chóng” là một cách nói nhẹ), và thông báo cho chúng tôi với xác suất rất cao chuỗi bit nào sẽ phá được mật khẩu.
Mặc dù vậy, việc phá vỡ các chức năng mật mã không phải là trường hợp sử dụng duy nhất của máy tính lượng tử (mặc dù đã được phổ biến rộng rãi). Sử dụng máy tính lượng tử, chúng ta cũng có thể thiết kế các kênh liên lạc an toàn hơn. Như Tiến sĩ Jian-Wei Pan đã chỉ ra, chúng ta có thể khai thác thuộc tính vướng víu để phát hiện ra liệu chúng ta có đang bị theo dõi trong một hệ lượng tử hay không. Vì các hạt bị vướng víu phải thể hiện cùng một hành vi, nên việc truyền dữ liệu bị chặn sẽ thay đổi tính chất của một hạt và phá vỡ sự vướng víu. Công nghệ như vậy đã được khám phá để sử dụng trong các ngân hàng và công ty dữ liệu, nhằm giúp bảo vệ cơ sở hạ tầng của họ và chúng ta chỉ có thể phỏng đoán cách thiết kế một “internet lượng tử”.
Tuy nhiên, các ứng dụng và thuật toán này vẫn còn hàng chục năm nữa mới được hiện thực hóa, vì các hệ thống như vậy yêu cầu nhiều qubit đáng tin cậy được triển khai. Ngay bây giờ, các nhà khoa học và nhà nghiên cứu đang tập trung vào các thuật toán NISQ ngắn hạn, có thể cho thấy uy quyền lượng tử trong một hệ thống ồn ào. Các thuật toán như Bộ giải mã riêng lượng tử biến đổi (VQE) và Thuật toán tối ưu hóa gần đúng lượng tử (QAOA) đang là những ứng cử viên hàng đầu minh họa cho tiềm năng ngắn hạn của điện toán lượng tử.
Một hệ quả tức thời của việc thiết kế các thuật toán lượng tử trong tương lai khi vẫn còn ở thời đại máy tính cổ điển là các nhà nghiên cứu đang khám phá ra nhiều phiên bản cải tiến hơn của các thuật toán cổ điển. Vòng phản hồi quan trọng này sẽ cho phép chúng ta tiếp tục phát triển những thành công hiện đại trong khoa học cho đến khi các bộ xử lý lượng tử quy mô lớn được thiết kế và phổ biến rộng rãi.
Điện toán lượng tử thực sự là một lĩnh vực xuyên suốt, đòi hỏi sự đổi mới trên nhiều khía cạnh. Nhìn lại những ngày đầu của điện toán cổ điển, công nghệ phần cứng đã trải qua nhiều lần lặp lại và khám phá cho đến khi ngành công nghiệp sử dụng bóng bán dẫn CMOS làm khối xây dựng thực tế trong các mạch tích hợp. Tương tự, thiết kế một qubit và hệ thống lượng tử (nghĩa là sử dụng các hạt nguyên tử nào, cách thực hiện các phép biến đổi lượng tử để tính toán và cách đo lường hệ thống) là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực.
Một thách thức lớn khác của thời kỳ hậu NISQ là giảm thiểu tiếng ồn. Sự mất kết hợp lượng tử thực sự giới hạn trần cao của điện toán lượng tử. Hiểu cách xây dựng một hệ thống đáng tin cậy trong phần cứng và phần mềm gợi nhớ đến những năm 1960 và 1970, khi các tài nguyên máy tính cổ điển khan hiếm và không đáng tin cậy. Làm như vậy ở cấp độ lượng tử là một thách thức hoàn toàn mới.
Xây dựng các hệ thống đầu cuối, chẳng hạn như những hệ thống chúng ta sử dụng ngày nay để tính toán, giải trí và khám phá khoa học, là thước đo thành công cuối cùng cho quá trình xử lý lượng tử. Làm cách nào để chúng tôi kết hợp các bộ xử lý lượng tử trong môi trường điện toán phát triển cao của chúng tôi? Các thư viện, API, trình biên dịch và các công cụ hệ thống khác cho phép con người lập trình các bit vật lý cơ bản của tự nhiên ở đâu?
Và thậm chí cấp bách hơn: các ứng dụng và hệ quả tiềm năng của máy tính lượng tử là gì, và điều đó sẽ thay đổi thế giới chúng ta đang sống và cách chúng ta tương tác với nó như thế nào?
Trong Phần 2 của Trình giải thích về Điện toán Lượng tử, chúng ta sẽ đi sâu vào thiết kế của các hệ thống điện toán lượng tử hiện tại. Với những điều cơ bản về cơ học lượng tử, bước tiếp theo sẽ là tìm hiểu về cách thiết kế các mạch lượng tử, vi kiến trúc và môi trường lập trình của thời đại NISQ.