The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology or be completely useless— it all depends on whether we can harness the strange physics of matter at very, very small scales. To have even a chance of doing so, we have to control the environment precisely: the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps, nearby elevators, and opening or closing doors. The cylinder is a vacuum chamber, devoid of all the gases in air. Inside the vacuum chamber is a smaller, extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams. Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.
Thứ chứa trong xi lanh kim loại này có thể tạo ra một cuộc cách mạng công nghệ hoặc trở thành vật bỏ đi— tùy thuộc vào khả năng chúng ta tận dụng các tính chất vật lý kỳ lạ của vật chất ở kích thước vi mô. Muốn vậy, cần phải kiểm soát chặt chẽ môi trường xung quanh: sử dụng mặt bàn dày và đế chống rung để giảm chấn động phát ra từ bước chân, thang máy lân cận và việc đóng mở cửa. Xi lanh là một buồng chân không, không chứa khí. bên trong là một buồng nhỏ hơn, cực lạnh, chỉ những tia laser cực nhỏ mới có thể đi vào. Trong cùng là các hạt siêu nhạy cấu thành máy tính lượng tử.
So what makes these particles worth the effort? In theory, quantum computers could outstrip the computational limits of classical computers. Classical computers process data in the form of bits. Each bit can switch between two states labeled zero and one. A quantum computer uses something called a qubit, which can switch between zero, one, and what’s called a superposition. While the qubit is in its superposition, it has a lot more information than one or zero. You can think of these positions as points on a sphere: the north and south poles of the sphere represent one and zero. A bit can only switch between these two poles, but when a qubit is in its superposition, it can be at any point on the sphere. We can’t locate it exactly— the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one. But even though we can’t observe the qubit in its superposition, we can manipulate it to perform particular operations while in this state.
Điều gì khiến các vi hạt này đặc biệt đến vậy? Về lý thuyết, khả năng tính toán của máy tính lượng tử vượt xa máy tính cổ điển. Máy tính cổ điển xử lý dữ liệu dưới dạng bit. Mỗi bit có thể được gán một trong hai giá trị: 0 hoặc 1. Máy tính lượng tử sử dụng bit lượng tử (qubit), có thể nhận các giá trị 0, 1 và giá trị chồng chập (superposition). Bit lượng tử ở trạng thái chồng chập, có thể nhận nhiều giá trị khác ngoài 0 và 1. Hãy xem các giá trị này như các điểm trên quả cầu: cực Bắc và Nam biểu thị cho 1 và 0. Giá trị một bit chỉ có thể chuyển đổi giữa hai cực, còn bit lượng tử có thể nhận mọi giá trị trên quả cầu. Ta không thể xác định chính xác vị trí của nó, tại thời điểm đọc giá trị, bit lượng tử đã trả về trị số 0 hoặc 1. Dù không thể xác định giá trị của bit lượng tử, nhưng ta vẫn có thể điều khiển bit lượng tử để thực hiện các tác vụ cụ thể.
So as a problem grows more complicated, a classical computer needs correspondingly more bits to solve it, while a quantum computer will theoretically be able to handle more and more complicated problems without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.
Để giải các bài toán phức tạp, máy tính cổ điển cần nhiều bit hơn, còn về lý thuyết, máy tính lượng tử có thể xử lý nhiều bài toán phức tạp hơn mà không cần nhiều bit lượng tử như máy tính cổ điển.
The unique properties of quantum computers result from the behavior of atomic and subatomic particles. These particles have quantum states, which correspond to the state of the qubit. Quantum states are incredibly fragile, easily destroyed by temperature and pressure fluctuations, stray electromagnetic fields, and collisions with nearby particles. That’s why quantum computers need such an elaborate set up. It’s also why, for now, the power of quantum computers remains largely theoretical. So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.
Sự độc đáo của máy tính lượng tử bắt nguồn từ nguyên lý hoạt động của nguyên tử và hạ nguyên tử. Trạng thái lượng tử của các hạt này ứng với trạng thái của bit lượng tử. Trạng thái lượng tử không bền, dễ bị phá hủy khi có biến thiên nhiệt độ, áp suất, từ trường và va chạm với các hạt gần đó. Đây là lý do tại sao thiết lập máy tính lượng tử rất kỳ công. Đó là cũng là lý do tại sao đến nay máy tính lượng tử chủ yếu vẫn chỉ mạnh trên lý thuyết. Đến giờ, cùng lúc, chúng ta chỉ kiểm soát được vài bit lượng tử ở cùng vị trí.
There are two key components involved in managing these fickle quantum states effectively: the types of particles a quantum computer uses, and how it manipulates those particles. For now, there are two leading approaches: trapped ions and superconducting qubits.
Hai nhân tố chính để tạo ra máy tính lượng tử: loại hạt dùng trong máy tính lượng tử, và cách để kiểm soát chúng. Hiện tại, hai phương pháp được dùng nhiều nhất là: bẫy ion và bit lượng tử siêu dẫn.
A trapped ion quantum computer uses ions as its particles and manipulates them with lasers. The ions are housed in a trap made of electrical fields. Inputs from the lasers tell the ions what operation to make by causing the qubit state to rotate on the sphere. To use a simplified example, the lasers could input the question: what are the prime factors of 15? In response, the ions may release photons— the state of the qubit determines whether the ion emits photons and how many photons it emits. An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer: 3 and 5.
Máy tính lượng tử bẫy ion dùng laser để điều khiển ion. Các ion được đặt trong bẫy điện trường. Dữ liệu từ nguồn laser cho ion biết các tác vụ cần thực hiện bằng cách thay đổi trạng thái bit lượng tử trên quả cầu. Lấy một ví dụ đơn giản để minh họa, dữ liệu đầu vào có thể là câu hỏi: tìm các thừa số nguyên tố của 15? Đáp lại, ion giải phóng photon— Giá trị bit lượng tử cho biết ion có giải phóng photon không, và bao nhiêu photon được giải phóng. Bộ phận xử lý ảnh sẽ thu lấy photon, xử lý chúng và cho ra kết quả: 3 và 5.
Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way: using a chip with electrical circuits instead of an ion trap. The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit. They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves. So: the qubits come from either ions or electrical circuits, acted on by either lasers or microwaves. Each approach has advantages and disadvantages. Ions can be manipulated very precisely, and they last a long time, but as more ions are added to a trap, it becomes increasingly difficult to control each with precision. We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations, but one possible solution might be to connect many smaller traps that communicate with each other via photons rather than trying to create one big trap. Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions, and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer than the number of ions. But the circuits are also more fragile, and have a shorter overall lifespan.
Máy tính lượng tử qubit siêu dẫn cũng giải bài toán trên nhưng bằng một cách khác: sử dụng chip và mạch điện thay cho bẫy ion. Chuyển đổi trạng thái mạch điện sang trạng thái bit lượng tử. Dữ liệu điện tử được truyền dưới dạng vi sóng. Vậy bit lượng tử hoạt động nhờ vào ion hoặc mạch điện, được điều khiển bằng laser hoặc vi sóng. Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Ion có độ chính xác cao, tồn tại trong thời gian dài, nhưng bẫy càng chứa nhiều ion, thì càng khó kiểm soát các ion riêng lẻ. Chúng ta không thể bẫy đủ các ion để giải các bài toán phức tạp. Giải pháp khả thi hơn là kết hợp nhiều bẫy ion nhỏ lại với nhau, dùng photon để trao đổi thông tin, chứ không tạo ra một cái bẫy khổng lồ. Trong khi đó, mạch siêu dẫn thực hiện tác vụ nhanh hơn bẫy ion, và cũng dễ lắp thêm hơn. Nhưng mạch lại không bền và có tuổi thọ ngắn hơn. Trong quá trình phát triển,
And as quantum computers advance, they will still be subject to the environmental constraints needed to preserve quantum states. But in spite of all these obstacles, we’ve already succeeded at making computations in a realm we can’t enter or even observe.
vẫn cần kiểm soát chặt chẽ môi trường xung quanh để duy trì trạng thái lượng tử. Nhưng bất chấp những khó khăn này, chúng ta đã thành công trong việc tạo ra chiếc máy tính ngay cả khi ta không thể quan sát hay chạm đến các hạt lượng tử.