Điều này giúp giải mã dữ liệu an toàn hơn, thậm chí giúp điều chế các loại thuốc chữa bệnh mới. Cuộc cách mạng lượng tử lần thứ hai biến đổi hoàn toàn cuộc sống của chúng ta.
Rất ít người biết là chúng ta lợi dụng các phát hiện của vật lý lượng tủ trong cuộc sống hằng ngày. Nếu Max Planck không phát hiện ra rằng, năng lượng sóng điện từ do các vật thể phát ra là không liên tục (lượng tử hóa), thì chúng ta cũng không có điện thoại thông minh (smartphone) và máy tính. Tất cả các transistor giúp các thiết bị này hoạt động đều dựa trên cấu trúc dải của các chất bán dẫn, mà cấu trúc này là đối tượng tác động của các định luật cơ học lượng tử.
Không có vật lý lượng tử nghĩa là không có laser, hệ thống quang dẫn, thiết bị định vị vệ tinh GPS, máy chụp cộng hưởng từ.
Đó chỉ là phần nổi của tảng băng, bởi trên thế giới đang diễn ra những nghiên cứu, nhìn bề ngoài rất kỳ lạ, nhằm thay đổi số phận toàn nhân loại.
Cuộc cách mạng lượng tử mới
 |
| Những nguyên tử siêu lạnh giúp nghiên cứu các trạng thái kỳ lạ của vật chất |
Các nhà khoa học nói về cuộc cách mạng lượng tử lần thứ hai đang đến gần, bởi chúng ta đã có cuộc cách mạng lần thứ nhất. Kết quả của cuộc cách mạng lượng tử thứ hai sẽ là máy tính lượng tử. Một số nhà khoa học cho rằng, máy tính lượng tử thật sự sẽ xuất hiện sau khoảng 15 năm nữa. Ngay từ bây giờ đã có các công trình về đồng hồ lượng tử; đến cuối năm 2020 các cảm biến lượng tử sẽ được chế tạo; còn đến năm 2029 sẽ có Internet lượng tử.
Đỉnh điểm của cuộc cách mạng lượng tử lần hai sẽ là các máy tính lượng tử đa năng. Dự đoán chúng sẽ xuất hiện vào năm 2035. Nếu tất cả diễn ra theo đúng kế hoạch, thì chúng ta sẽ sống trong thế giới đầy rẫy vệ tinh lượng tử và các dữ liệu số được mã hóa lượng tử. Đó là những thứ mà mọi người đều có thể sử dụng chứ không chỉ riêng các nhà khoa học.
“Mật mã lượng tử khiến cho các dữ liệu của chúng ta trở nên an toàn hơn. Sử dụng máy tính lượng tử, chúng ta sẽ không còn phân vân về vấn đề an ninh dữ liệu” – Tiến sĩ Perrine Berger ở Tập đoàn Thales Group (Pháp), cho biết như vậy.
Máy tính lượng tử đang được nghiên cứu và phát triển ở nhiều nơi trên thế giới, mặc dù các nghiên cứu nhằm tạo ra máy tính lượng tử hoạt động hết chức năng diễn ra toàn khác đối với trường hợp các thiết bị điện tử truyền thống. Chịu trách nhiệm nghiên cứu về máy tính lượng tử là các nhà vật lý – những người thường thực hiện các thí nghiệm không liên quan gì với nhau. Ví dụ: Các nguyên tử siêu lạnh có thể đực sử dụng để nghiên cứu các dạng kỳ lạ mới của vật chất (chẳng hạn như trạng thái ngưng tụ Bose- Einstein), nhưng cũng có thể được sử dụng cho liên lạc lượng tử).
Các phòng thí nghiệm của ĐH Paris-Saclay còn tiến hành nghiên cứu các trạng thái điện tử hoặc spin mới, nhằm mở đường phát triển siêu dẫn trong nhiệt độ tới hạn cao. Đó là các pha (phase) kỳ lạ, chẳng hạn như các chất lỏng spin lượng tử, khí điện tử 2D trên bề mặt ô xit. Mục đích của các nhà khoa học là hiểu và mô tả vận tải điện tử và nhiệt, về mặt lý thuyết, trong cái gọi là những hệ thấp chiều (mesocopic), trong đó hành vi của điện tử phụ thuộc vào sự phù hợp lượng tử của phương trình sóng của chúng. Điều này dẫn đến sự hình thành các loại điện tử nhân tạo mới, chẳng hạn như các điểm lượng tử bán dẫn hoặc siêu dẫn, các sóng nano carbon… Không có những thứ này, chúng ta không thể phát triển công nghệ lượng tử.
Những rào cản và hi vọng
 |
| ĐH Paris-Saclay phát triển máy tính lượng tử trong những điều kiện khá khiêm tốn |
Cho đến nay, máy tính lượng tử của Công ty D-Wave Systems (Canada) được xem là máy tính lượng tử hàng đầu thế giới. Công ty này còn phát triển máy tính lượng tử cho Tập đoàn Google và Lockheed Martin (Mỹ), tuy nhiên có một số ý kiến cho rằng đó không phải là những máy tính lượng tử thật sự. Vào đầu năm 2019, Công ty IBM (Mỹ) đã giới thiệu máy tính lượng tử Q System One đầu tiên dành cho mục đích tiêu dùng. Google cũng tập trung phát triển máy tính lượng tử. Tất cả cho thấy các công ty, tập đoàn công nghệ lớn đều muốn có máy tính lượng tử của riêng mình.
Để có thể tận dụng hết công suất của các máy tính lượng tử, cần phải liên kết nhiều qubit (bit lượng tử) trong quá trình gọi là liên đới lượng tử. Tuy nhiên, tạo ra và liên kết các qubit, sau đó sử dụng chúng đề tính toán trong trạng thái liên đới lượng tử là không dễ dàng. Trong trường hợp may mắn nhất, việc liên kết qubit gây ra lỗi trong tính toán, còn trong trường hợp tồi tệ nhất – phân rã các qubit liên đới lượng tử.
Một trong những cách ứng phó với vấn đề khó chịu này là bổ sung qubit vào hệ thống. Những qubit bổ sung này chỉ đóng vai trò nhận diện và chỉnh sửa kết quả tính toán. Điều đó có nghĩa là máy tính lượng tử như vậy cho hiệu suất cao hơn. Chúng có thể được sử dụng để giải quyết nhiều vấn đề phức tạp, chẳng hạn như cách gấp nếp protein, mô hình hóa các quá trình vật lý trong các nguyên tử phức tạp hay mô phỏng các quá trình hình thành thiên hà.
Những cỗ máy này có ưu thế hơn so với máy tính truyền thống, bởi vì công suất tính toán của chúng phát triển theo hàm số mũ – 2 qubit có 4 trạng thái khả dĩ; 3 qubit – 8 trạng thái; còn 150 qubit có số trạng thái nhiều hơn tổng số nguyên tử trên Trái đất!
Công nghệ máy tính lượng tử dường như sẽ thay đổi hoàn toàn cuộc sống của chúng ta. Sau 100 năm nữa, nhân loại sẽ nhớ đến thời kỳ trước cách mạng lượng tử lần thứ hai tương tự như chúng ta ngày nay nói về thế giới trước thời kỳ công nghiệp hóa.
