Đếm ngược đến Ngày Q - Phần 1 bởi @apruden08 Máy tính lượng tử tận dụng cơ học lượng tử, lý thuyết vật lý chính xác nhất từng được tạo ra bởi khoa học. Kể từ khi nhà vật lý Richard Feynman lần đầu tiên đề xuất khái niệm này vào năm 1981, máy tính lượng tử đã chuyển từ lý thuyết thành hiện thực, với nhiều nguyên mẫu hoạt động có sẵn ngày nay. Sự hiện thực hóa của chúng ở quy mô nhỏ nhất là một thành tựu lý thuyết. Tuy nhiên, những máy này thế hệ đầu tiên còn thô sơ so với cả phần cứng cổ điển cấp tiêu dùng. Để máy tính lượng tử có thể trở nên có liên quan, chúng phải được mở rộng. Mặc dù chúng ta gọi chúng là "máy tính," nhưng máy tính lượng tử khác biệt về cơ bản so với máy tính cổ điển mà bạn đang sử dụng để đọc điều này. Hiểu các nguyên tắc cốt lõi của cơ học lượng tử, và đặc biệt là cách nó khác với các khái niệm cổ điển của chúng ta về tính toán, là rất quan trọng để hiểu sức mạnh tiềm năng của một máy tính lượng tử và những thách thức trong việc xây dựng một cái. Bài viết này là phần đầu tiên trong một loạt năm phần sẽ cung cấp một hiểu biết cơ bản về máy tính lượng tử, và một phương pháp để ước lượng thời gian cho một máy tính lượng tử có liên quan đến mật mã. Nền tảng này cuối cùng sẽ cung cấp một khung để chúng ta đánh giá thực tế thời gian cho Ngày Q để hiểu chúng ta có bao lâu để chuẩn bị. Sự khác biệt cơ bản giữa máy tính cổ điển và máy tính lượng tử Trong khi máy tính cổ điển hoạt động dựa trên các khái niệm logic tương đối đơn giản, máy tính lượng tử dựa vào các nguyên tắc của cơ học lượng tử thách thức trực giác hàng ngày của chúng ta về thông tin. Các khái niệm như chồng chéo, rối, giao thoa, và định lý không sao chép mang lại cho máy tính lượng tử những đặc tính hoàn toàn khác biệt so với máy tính cổ điển và do đó, những khả năng và giới hạn khác nhau. Dưới đây là một số khía cạnh chính của cơ học lượng tử mà định nghĩa một máy tính lượng tử: Chồng chéo - Trong cơ học lượng tử, các hạt không chiếm giữ các trạng thái xác định như các bit cổ điển. Thay vào đó, chúng tồn tại trong một trạng thái chồng chéo, hoặc một tổ hợp tuyến tính của các trạng thái có thể, được mô tả bởi một hàm sóng. Hàm sóng này mã hóa tất cả các trạng thái có thể của hệ thống mà nó mô tả. Cụ thể, trong khi một bit cổ điển đại diện một cách xác định cho 0 hoặc 1, một qubit có thể ở trong một trạng thái chồng chéo của cả hai đồng thời. Kết quả bạn nhận được khi đo lường phụ thuộc vào một phân phối xác suất được rút ra từ hàm sóng. Nói cách khác, chồng chéo cho phép một qubit mã hóa một không gian trạng thái phong phú hơn nhiều so với một bit cổ điển, đó là điều mang lại cho máy tính lượng tử tiềm năng tăng trưởng theo cấp số nhân. Điều này là rất quan trọng để hiểu một trong những thách thức lớn trong việc xây dựng một máy tính lượng tử. Trong tính toán cổ điển, việc đo lường là thụ động, vì việc đọc bộ nhớ không thay đổi nó. Nhưng trong cơ học lượng tử, hành động đo lường một hệ thống làm sụp đổ một trạng thái chồng chéo thành một trạng thái xác định. Để có được lợi thế có ý nghĩa từ một máy tính lượng tử, trạng thái chồng chéo đó phải được bảo tồn cẩn thận cho đến thời điểm thích hợp. Rối - Trong cơ học lượng tử, các hạt có thể bị rối, có nghĩa là các trạng thái của chúng trở nên liên kết theo cách mà chúng phải được mô tả như một hệ thống duy nhất. Ngay cả khi bị tách ra bởi khoảng cách lớn, kết quả đo lường của một hạt có tương quan với (hoặc thậm chí được xác định bởi) trạng thái của hạt kia. Nói cách khác, rối là một loại chồng chéo đặc biệt trải dài qua nhiều hạt. Đây là một trong những đặc điểm chính cho phép máy tính lượng tử mở rộng theo cấp số nhân, nhưng cũng là một trong những điều dễ bị tổn thương nhất để duy trì theo thời gian và/hoặc khoảng cách. Giao thoa – Một trong những sự khác biệt chính giữa xác suất lượng tử và cổ điển nằm ở khái niệm giao thoa. Trong các hệ thống cổ điển, xác suất đơn giản chỉ cộng lại (ví dụ, lật hai đồng xu cho một xác suất 25% cho mỗi kết quả). Nhưng trong cơ học lượng tử, biên độ (các thành phần của hàm sóng) có thể giao thoa với nhau trước khi đo lường. Những biên độ này có thể củng cố (giao thoa xây dựng) hoặc hủy bỏ (giao thoa phá hủy), tùy thuộc vào pha tương đối của chúng. Máy tính lượng tử có thể khai thác hiện tượng này để "lái" một phép tính về phía các câu trả lời đúng. Thay vì chỉ khám phá tất cả các con đường song song, một thuật toán lượng tử được thiết kế để các câu trả lời sai giao thoa phá hủy và hủy bỏ, trong khi các con đường mong muốn dẫn đến các câu trả lời đúng giao thoa xây dựng và chiếm ưu thế trong kết quả cuối cùng. Nếu không có khả năng này để khuếch đại các kết quả đúng và подавить các kết quả sai, máy tính lượng tử sẽ không mang lại lợi thế nào so với các phương pháp ngẫu nhiên cổ điển. Định lý không sao chép - Bởi vì việc đọc ra có tác động trực tiếp đến hệ thống, trong đó nó làm sụp đổ các trạng thái chồng chéo thành các trạng thái xác định, không thể "sao chép" các trạng thái lượng tử. Đây là định lý không sao chép. Không sao chép làm cho việc triển khai các nguyên tắc cơ bản cấp thấp mà chúng ta coi là hiển nhiên trong tính toán cổ điển (như các thanh ghi bộ nhớ) trở nên phức tạp hơn nhiều trong thực tế. Thay vào đó, các phép toán như dịch chuyển lượng tử và hoán đổi rối phải được sử dụng để truyền tải hoặc chia sẻ thông tin lượng tử một cách an toàn trong quá trình đánh giá một mạch hoặc chương trình nhất định. Sức mạnh tính toán vô song so với độ phức tạp kỹ thuật khổng lồ Các đặc tính cơ bản của cơ học lượng tử cho phép một mô hình tính toán mạnh mẽ hơn nhiều. Trong khi các tài nguyên cần thiết để đại diện cho một hệ thống phức tạp (chẳng hạn như các phân tử riêng lẻ trong một chất lỏng) có thể áp đảo ngay cả phần cứng cổ điển mạnh nhất, máy tính lượng tử có thể khai thác chồng chéo và rối để giải quyết những vấn đề không thể giải quyết này. Một trong những ví dụ nổi tiếng nhất là thuật toán Shor, có thể phân tích các số nguyên lớn một cách hiệu quả và phá vỡ các hệ thống mật mã được sử dụng rộng rãi như RSA và ECDSA. Nó làm điều này bằng cách kết hợp chồng chéo để khám phá nhiều yếu tố tiềm năng cùng một lúc, rối để duy trì các tương quan giữa các qubit, và giao thoa để khuếch đại giải pháp đúng trong khi hủy bỏ các giải pháp sai. Điều mà máy tính cổ điển sẽ mất hàng tỷ năm để tính toán, một máy tính lượng tử đủ lớn có thể giải quyết trong vài giờ. Tuy nhiên, do bản chất của hàm sóng, mô hình này vốn dĩ là xác suất. Hơn nữa, bất kỳ phép đo nào, hoặc thậm chí một tương tác hạ nguyên tử tình cờ, có thể ngay lập tức phá hủy hệ thống dễ bị tổn thương này. Do đó, tiềm năng lý thuyết của một máy tính lượng tử gần như bị đối mặt với những thách thức kỹ thuật đáng sợ liên quan đến việc xây dựng thực tế một cái. Trong bài viết tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét những thách thức cụ thể do mô hình tính toán lượng tử mang lại, và xây dựng một khung để đánh giá các phương pháp thực tế khác nhau để giải quyết chúng. Theo dõi @qdayclock để được thông báo.