Quantum supremacy

"Quantum Supremacy” là một thuật ngữ do John Preskill – giáo sư vật lý lý thuyết tại Caltech – đưa ra vào năm 2012. Nó dùng để chỉ khi một máy tính lượng tử thực hiện được một bài toán mà không thể giải được bằng máy tính cổ điển trong một khoảng thời gian thực tế. Điều này có nghĩa là máy lượng tử tăng tốc vượt bậc (superpolynomial speedup) so với mọi phương pháp cổ điển có thể áp dụng để giải bài toán đó.

Thuật ngữ này không yêu cầu bài toán đó phải có ứng dụng thực tế, và không cần máy tính lượng tử phải có sửa lỗi hoàn chỉnh hay hoạt động ổn định hoàn toàn. Vì vậy, các thí nghiệm thể hiện quantum supremacy thường mang tính học thuật và được thực hiện trên các thiết bị lượng tử trong giai đoạn Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) – tức là hệ lượng tử vẫn còn lỗi và chưa đầy đủ sửa lỗi.

Google's quantum computer

(Nguồn: https://www.wired.com/story/googles-quantum-supremacy-isnt-end-encryption/)

Các thí nghiệm này vẫn quan trọng bởi vì chúng cho thấy tiềm năng của máy tính lượng tử trong việc giải quyết những bài toán mà máy tính cổ điển không thể giải được. Mục tiêu cuối cùng là một ngày nào đó máy tính lượng tử có thể giải được những bài toán hữu ích với độ lỗi chấp nhận được, nhưng trước hết cần chứng minh rằng nó có thể vượt trội ngay cả trên các tác vụ “không hữu ích”

Các thuật ngữ liên quan

• Quantum supremacy: khi giải được bài toán mà máy tính cổ điển không làm được trong thời gian khả thi.

• Quantum advantage: khi máy tính lượng tử giải được bài toán thực tế nhanh hơn hoặc chính xác hơn máy tính cổ điển.

• Quantum utility: khi máy tính lượng tử hoạt động hữu ích, dù lợi thế tốc độ/cơ học có thể không lớn.

Quantum Supremacy đã xảy ra chưa?

Thực tế, quantum supremacy đã được chứng minh về mặt khoa học, thông qua một số thí nghiệm cụ thể, điển hình là thí nghiệm của Google (2019) dù vẫn còn tranh luận về cách so sánh với máy tính cổ điển.

 Thí nghiệm của Google (2019)

• Google sử dụng bộ xử lý lượng tử Sycamore (53 qubit siêu dẫn).

• Bài toán: Random Circuit Sampling
  (lấy mẫu đầu ra của một mạch lượng tử ngẫu nhiên – bài toán không có ứng dụng trực tiếp).

• Kết quả:

  • Máy tính lượng tử: ~200 giây

  • Siêu máy tính cổ điển ước tính: ~10.000 năm

• Công bố trên Nature (2019).

 Đây được xem là mốc đầu tiên của Quantum Supremacy.

(Nguồn: https://www.techadvisor.com/article/735453/google-claims-quantum-supremacy-computer-most-advanced-ever-built.html)

Nguồn tài liệu và đọc thêm

• https://tiasang.com.vn/doi-moi-sang-tao/uy-quyen-luong-tu-cua-google-co-thuc-su-uy-quyen-20668/
• https://thuvienvatly.info/quantum-supremacy-lieu-may-tinh-luong-tu-da-vuot-qua-sieu-may-tinh/
• https://www.ibm.com/quantum/blog/on-quantum-supremacy
• https://www.quera.com/glossary/quantum-supremacy
• https://bigthink.com/starts-with-a-bang/quantum-supremacy-explained/
• https://gilkalai.wordpress.com/2019/12/27/the-google-quantum-supremacy-demo/

Quantum algorithm

Quantum algorithm (thuật toán lượng tử) là thuật toán được thiết kế để chạy trên máy tính lượng tử, khai thác các hiện tượng của cơ học lượng tử để giải quyết một số bài toán nhanh hơn đáng kể so với thuật toán cổ điển.

Quantum algorithm sử dụng các hiện tượng:

• Chồng chập (superposition): qubit có thể ở nhiều trạng thái cùng lúc

• Vướng víu lượng tử (entanglement): các qubit liên hệ chặt chẽ với nhau

• Giao thoa (interference): khuếch đại xác suất kết quả đúng, triệt tiêu kết quả sai

Quantum algorithm  ra đời không phải để thay thế hoàn toàn thuật toán cổ điển, mà để giải quyết hiệu quả hơn một số bài toán đặc thù, nhờ khai thác các nguyên lý của cơ học lượng tử.

Cấu trúc chung của một Quantum Algorithm

Hầu hết các thuật toán lượng tử đều tuân theo một “kịch bản” quen thuộc:

1. Chuẩn bị chồng chập
   Đưa hệ qubit vào trạng thái biểu diễn nhiều khả năng cùng lúc.

2. Đánh dấu nghiệm đúng (Oracle)
   Một phép biến đổi lượng tử “gắn nhãn” nghiệm cần tìm.

3. Khuếch đại bằng giao thoa
   Làm tăng xác suất của nghiệm đúng, giảm xác suất nghiệm sai.

4. Đo (Measurement)
   Khi đo, ta thu được nghiệm đúng với xác suất rất cao.

(Nguồn: https://www.nature.com/articles/s41598-024-80188-6)

Một số quantum algorithm tiêu biểu

• Thuật toán Grover
  Dùng cho bài toán tìm kiếm không cấu trúc.
  Thay vì cần $N$ bước như cổ điển, Grover chỉ cần khoảng $\sqrt{N}$ bước.

• Thuật toán Shor
  Dùng để phân tích số nguyên lớn thành thừa số.
  Có ý nghĩa lớn trong mật mã học, vì nhiều hệ mã hiện nay dựa vào độ khó của bài toán này.

• Thuật toán mô phỏng hệ lượng tử
  Máy tính lượng tử đặc biệt phù hợp để mô phỏng chính… thế giới lượng tử, điều mà máy tính cổ điển làm rất tốn kém.

(Nguồn: https://www.quantumgrad.com/article/744)

Nguồn tham khảo và đọc thêm

• https://www.quantumgrad.com/article/744
• https://quantum.microsoft.com/en-us/insights/education/concepts/quantum-algorithms
• https://quantumalgorithmzoo.org/
• https://www.bluequbit.io/blog/quantum-algorithms
• https://www.cs.umd.edu/~amchilds/qa/qa.pdf

Quantum teleportation

 Quantum teleportation là gì?

Quantum teleportation (dịch chuyển lượng tử)) là một giao thức truyền trạng thái lượng tử từ một hệ (Alice) sang một hệ khác (Bob), mà không cần truyền trực tiếp hạt vật lý mang trạng thái đó. Điều được “dịch chuyển” không phải là photon hay electron, mà là toàn bộ thông tin lượng tử về trạng thái của chúng (bao gồm biên độ và pha).

Nói ngắn gọn:

Quantum teleportation cho phép tái tạo chính xác một trạng thái lượng tử ở nơi xa, trong khi trạng thái ban đầu bị phá hủy.

(Nguồn: https://quantumzeitgeist.com/quantum-dots-quantum-teleportation-2/)

 

Vì sao dịch chuyển lượng tử là cần thiết?

Trong thế giới cổ điển, ta có thể đo một trạng thái, ghi lại thông tin, sao chép và gửi đi. Nhưng trong thế giới lượng tử, ta không thể đo để biết đầy đủ trạng thái lượng tử, không thể sao chép hoàn hảo trạng thái lượng tử (định lý không sao chép) vì việc đo sẽ làm sập trạng thái. Quantum teleportation ra đời để giải quyết nghịch lý này: đó là  Truyền trạng thái mà không cần biết trạng thái đó là gì.

Ba “nguyên liệu” bắt buộc của quantum teleportation

Để dịch chuyển lượng tử hoạt động, cần đồng thời ba yếu tố:

1. Một cặp qubit vướng víu lượng tử: Alice và Bob phải chia sẻ trước một cặp qubit ở trạng thái vướng víu.

2. Phép đo đặc biệt (đo Bell) : Alice thực hiện phép đo chung giữa qubit cần gửi và qubit vướng víu của mình.

3. Kênh truyền thông tin cổ điển: Alice gửi kết quả đo (2 bit cổ điển) cho Bob.

 Thiếu bất kỳ yếu tố nào, teleportation không thể hoàn tất.

(Nguồn: https://chem.libretexts.org/Bookshelves)

Quy trình teleportation – từng bước trực quan

Bước 1: Chuẩn bị

Alice có một qubit ở trạng thái lượng tử chưa biết. Đồng thời, Alice và Bob đã chia sẻ sẵn một cặp qubit vướng víu.

Bước 2: Đo Bell (tại Alice)

Alice đo chung qubit cần gửi với qubit vướng víu của mình.

Hành động này:

• Phá hủy trạng thái ban đầu ở Alice
• Tạo ra 2 bit thông tin cổ điển

Bước 3: Gửi thông tin cổ điển

Alice gửi 2 bit này cho Bob qua kênh thông thường (Internet, cáp quang…).

Bước 4: Hiệu chỉnh (tại Bob)

Dựa vào 2 bit nhận được, Bob áp một phép hiệu chỉnh đơn giản lên qubit của mình.

Kết quả: qubit của Bob trở thành đúng trạng thái ban đầu của Alice.

 

(Nguồn: https://lahirumadushankablog.wordpress.com/2020/12/12/quantum-teleportation-explained/)

Những hiểu lầm phổ biến cần tránh

• Teleportation không truyền vật thể, không có hạt nào “biến mất rồi xuất hiện”.

• Teleportation không nhanh hơn ánh sáng, vì vẫn cần truyền 2 bit cổ điển, nên tốc độ bị giới hạn bởi thuyết tương đối.

• Teleportation không sao chép thông tin, trạng thái ban đầu bị phá hủy – không có bản sao nào tồn tại song song.

Teleportation tuân thủ đầy đủ các định luật vật lý.

Quantum teleportation cho thấy:

• Thông tin lượng tử là tài nguyên vật lý thực sự

• Trạng thái lượng tử có thể được “tái tạo ở nơi khác” mà không cần biết nội dung

• Vướng víu lượng tử đóng vai trò như “kênh tiềm ẩn” cho thông tin

Đây là minh chứng mạnh mẽ rằng thông tin và vật lý gắn chặt với nhau ở cấp độ cơ bản.  Nó không phải công nghệ viễn tưởng, mà đã được thực nghiệm thành công với photon, ion và các hệ lượng tử khác.

Nguồn tham khảo

• https://quantum.microsoft.com/en-us/insights/education/concepts/quantum-teleportation
• https://brilliant.org/wiki/quantum-teleportation/
• https://www.quantamagazine.org/what-is-quantum-teleportation-20240314/
• https://nanoscience.ucf.edu/research/quantum/quantum-teleportation/
• https://www.bluequbit.io/blog/quantum-teleportation

Quantum Key Distribution

• 
  

Quantum Key Distribution (QKD) – phân phối khóa lượng tử – là một phương pháp trao đổi khóa bí mật giữa hai bên dựa trên các quy luật của cơ học lượng tử, thay vì dựa vào độ khó tính toán như mật mã truyền thống. Điểm cốt lõi của QKD là: bất kỳ nỗ lực nghe lén nào cũng tất yếu làm thay đổi trạng thái lượng tử và để lại dấu vết, nhờ đó có thể phát hiện ngay lập tức.

(Nguồn: https://s-fifteen.com/pages/qkd-horizontal-timeline)

QKD dùng để làm gì?

Trong bảo mật thông tin, “khóa” là chuỗi bit bí mật dùng để mã hóa/giải mã dữ liệu. QKD không trực tiếp gửi dữ liệu, mà chỉ dùng để tạo và chia sẻ khóa bí mật một cách an toàn tuyệt đối về mặt vật lý. Sau khi có khóa, hai bên vẫn có thể dùng các thuật toán mã hóa quen thuộc (như AES) để truyền dữ liệu.

QKD dựa trên ba nguyên lý lượng tử:

• Trạng thái lượng tử bị thay đổi khi đo: nếu kẻ nghe lén đo photon, trạng thái sẽ bị nhiễu.

• Không thể sao chép hoàn hảo trạng thái lượng tử (định lý không sao chép).

• Chỉ cần so sánh một phần nhỏ dữ liệu là phát hiện được nghe lén.

(Nguồn: https://laserscientist.com/quantum-key-distribution/)

QKD hoạt động thế nào? 

Giả sử Alice muốn chia khóa cho Bob, còn Eve là kẻ nghe lén.

• Bước 1 – Gửi trạng thái lượng tử

Alice mã hóa các bit 0/1 bằng trạng thái lượng tử của photon (ví dụ: các hướng phân cực khác nhau) và gửi cho Bob qua kênh lượng tử.

• Bước 2 – Đo và đối chiếu

Bob đo các photon bằng những lựa chọn đo khác nhau. Sau đó, Alice và Bob công khai (qua kênh cổ điển) một phần thông tin về cách họ mã hóa/đo, không công khai giá trị bit.

• Bước 3 – Phát hiện nghe lén

Nếu Eve cố nghe lén, việc đo của Eve sẽ làm thay đổi trạng thái photon. Khi Alice và Bob so sánh một phần nhỏ kết quả, tỉ lệ lỗi tăng lên → họ biết có nghe lén và hủy khóa.

• Bước 4 – Tạo khóa an toàn

Nếu tỉ lệ lỗi thấp, phần còn lại được xử lý (lọc lỗi, khuếch đại riêng tư) để tạo khóa bí mật cuối cùng.

Vì sao QKD “an toàn tuyệt đối”?

• Không phụ thuộc sức mạnh máy tính của kẻ tấn công (kể cả máy tính lượng tử).

• An toàn dựa trên định luật vật lý, không phải giả định toán học.

• Nghe lén không thể “ẩn mình”: hễ đo là lộ.

Nguồn tham khảo

• https://www.techtarget.com/searchsecurity/definition/quantum-key-distribution-QKD
• https://qt.eu/quantum-principles/communication/quantum-key-distribution-qkd
• https://www.etsi.org/technologies/quantum-key-distribution

Quantum information

Quantum information (thông tin lượng tử) là lĩnh vực nghiên cứu cách thông tin được biểu diễn, xử lý và truyền đi khi tuân theo các quy luật của cơ học lượng tử, thay vì các quy luật cổ điển. 

Trong công nghệ truyền thống, thông tin được mã hóa bằng bit, mỗi bit chỉ có thể là 0 hoặc 1. Ngược lại, trong quantum information, đơn vị cơ bản là qubit. Nhờ hiện tượng chồng chập lượng tử, một qubit có thể biểu diễn nhiều khả năng cùng lúc (không chỉ 0 hoặc 1). Khi nhiều qubit kết hợp và tạo ra tương quan/vướng víu lượng tử, thông tin không còn nằm ở từng qubit riêng lẻ mà nằm ở trạng thái chung của cả hệ—điều mà thông tin cổ điển không làm được.

(Nguồn: https://cnqo.phys.strath.ac.uk/research/quantum-information/)

Một đặc điểm then chốt của thông tin lượng tử là thông tin gắn liền với trạng thái vật lý. Việc đo sẽ làm thay đổi trạng thái; và không thể sao chép hoàn hảo một trạng thái lượng tử (định lý không sao chép). Chính những giới hạn “kỳ lạ” này lại trở thành tài nguyên: trong truyền thông lượng tử, bất kỳ hành vi nghe lén nào cũng để lại dấu vết; trong tính toán lượng tử, chồng chập và tương quan cho phép điều khiển giao thoa xác suất để làm nổi bật đáp án đúng.

(Nguồn: https://www.linkedin.com/pulse/quantum-computing-its-applications-different-danish-nadeem)

Quantum information cũng mở rộng cách ta hiểu giới hạn của xử lý thông tin trong tự nhiên: thông tin có thể nén đến đâu, truyền an toàn thế nào, và xử lý nhanh ra sao khi tận dụng các hiệu ứng lượng tử. Vì vậy, nó là cầu nối liên ngành giữa vật lý, toán học và khoa học máy tính, đồng thời là ngôn ngữ chung để mô tả các công nghệ lượng tử hiện đại.

Ví dụ  của quantum information trong an ninh dữ liệu.

Giả sử Alice muốn gửi khóa bí mật cho Bob.

• Alice mã hóa bit bằng trạng thái lượng tử (photon)

• Bob đo photon để nhận khóa

• Nếu có Eve nghe lén:

• Eve bắt buộc phải đo

• Việc đo làm thay đổi trạng thái

• Alice và Bob phát hiện ra ngay

(Nguồn: https://www.cse.wustl.edu/~jain/cse571-07/ftp/quantum/)

Nguồn tham khảo

• https://cnqo.phys.strath.ac.uk/research/quantum-information/
• https://www.symmetrymagazine.org/article/what-is-quantum-information?language_content_entity=und

Quantum Computing

 Quantum computing (máy tính lượng tử) là một lĩnh vực công nghệ sử dụng các nguyên lý của cơ học lượng tử để xử lý thông tin, thay vì dựa trên các quy tắc của vật lý cổ điển như máy tính thông thường. Điểm khác biệt cốt lõi nằm ở đơn vị thông tin: trong khi máy tính cổ điển dùng bit chỉ có giá trị 0 hoặc 1, máy tính lượng tử dùng qubit, có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng lúc nhờ hiện tượng chồng chập lượng tử.

(Nguồn: https://www.formfactor.com/blog/2024/what-is-quantum-computing/)

Nhờ chồng chập, một qubit không chỉ là 0 hay 1, mà có thể là sự kết hợp của cả 0 và 1 cùng lúc. Khi nhiều qubit kết hợp với nhau và tạo ra tương quan lượng tử (quantum correlation) hoặc vướng víu lượng tử, hệ lượng tử có thể xử lý rất nhiều khả năng song song. Điều này giúp máy tính lượng tử có tiềm năng giải quyết một số bài toán mà máy tính cổ điển phải mất hàng nghìn hoặc hàng triệu năm.

(Nguồn: https://azure.microsoft.com/en-us/resources/cloud-computing-dictionary/what-is-quantum-computing)

Quantum computing không nhằm thay thế hoàn toàn máy tính hiện nay, mà bổ sung cho chúng trong những bài toán đặc biệt khó, chẳng hạn như: tối ưu hóa phức tạp, mô phỏng phân tử và vật liệu mới, thiết kế thuốc, mật mã học, và một số bài toán trong trí tuệ nhân tạo. Những bài toán này có điểm chung là số khả năng tăng rất nhanh, khiến máy tính cổ điển gặp giới hạn.

Quantum computing chip

(Nguồn: https://www.spinquanta.com/news-detail/quantum-computer-chip)

Tuy nhiên, máy tính lượng tử cũng có nhiều thách thức. Qubit rất nhạy cảm với môi trường, dễ bị nhiễu và mất trạng thái lượng tử (hiện tượng decoherence). Vì vậy, việc duy trì, điều khiển và sửa lỗi cho qubit đòi hỏi công nghệ cực kỳ phức tạp, như làm lạnh gần 0 tuyệt đối và các kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi lượng tử tinh vi. Hiện nay, phần lớn máy tính lượng tử vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm.

Nguồn tham khảo

• https://npp.com.vn/quantum-computing-la-gi/?srsltid=AfmBOopeAkMfCySCbrlozs0kJUc4hFEGCLhFu5bHdnWmpJLDPTL7JA08
• https://www.ibm.com/think/topics/quantum-computing
• https://aws.amazon.com/what-is/quantum-computing/
• https://azure.microsoft.com/en-us/resources/cloud-computing-dictionary/what-is-quantum-computing

Quantum correlation

 Quantum correlation (tương quan lượng tử) là một trong những khái niệm then chốt giúp chúng ta hiểu vì sao thế giới lượng tử không vận hành theo logic quen thuộc của vật lý cổ điển. Nó mô tả mối liên hệ đặc biệt giữa các kết quả đo của những hạt lượng tử, trong đó kết quả của hạt này có liên quan chặt chẽ đến kết quả của hạt kia, ngay cả khi chúng ở cách nhau rất xa.

(Nguồn: https://phys.org/news/2024-09-physicists-quantum-photon-pairs-images.html)

Trong vật lý cổ điển, tương quan thường có lời giải thích đơn giản: hai sự kiện giống nhau vì chúng có nguyên nhân chung trong quá khứ. Ví dụ, hai đồng hồ được chỉnh cùng giờ sẽ luôn chỉ thời gian giống nhau. Tuy nhiên, quantum correlation không hoạt động theo cách đó. Trước khi đo, các hạt không mang sẵn những giá trị xác định, nhưng khi đo thì các kết quả vẫn thể hiện mối liên hệ thống kê cực kỳ chính xác.

Quantum correlation thường được nhắc đến cùng với vướng víu lượng tử (quantum entanglement). Khi các hạt ở trạng thái vướng víu, chúng không còn là những thực thể độc lập, mà trở thành một phần của một hệ lượng tử chung. Do đó, trạng thái của từng hạt không thể mô tả riêng rẽ; chỉ có thể mô tả toàn bộ hệ. Chính cấu trúc chung này tạo ra các tương quan lượng tử mạnh mẽ.

Điểm làm quantum correlation trở nên đặc biệt là nó vượt qua các giới hạn cổ điển. Các nhà vật lý đã chỉ ra rằng nếu thế giới tuân theo những giả định cổ điển như “tính cục bộ” và “giá trị xác định trước khi đo”, thì các tương quan đo được phải thỏa mãn những ràng buộc toán học nhất định. Tuy nhiên, các thí nghiệm thực tế đã cho thấy tương quan lượng tử vi phạm các ràng buộc này, củng cố cho dự đoán của cơ học lượng tử và bác bỏ cách giải thích thuần túy cổ điển.

(Nguồn: https://quantumzeitgeist.com/quantum-entanglement-performance-sound-live-driven-real-time-correlation-measurements/)

Dù nghe có vẻ “tức thời” và khó tin, quantum correlation không cho phép truyền thông tin nhanh hơn ánh sáng. Những gì xảy ra là tương quan thống kê, chỉ bộc lộ khi so sánh kết quả đo từ nhiều lần thí nghiệm. Vì vậy, các định luật nền tảng như thuyết tương đối vẫn được tôn trọng.

Ngày nay, quantum correlation không chỉ là một chủ đề lý thuyết, mà còn là nền tảng của công nghệ lượng tử hiện đại. Trong mật mã và truyền thông lượng tử, các tương quan này giúp phát hiện nghe lén và đảm bảo an toàn dữ liệu. Trong máy tính lượng tử, tương quan giữa các qubit góp phần tạo nên sức mạnh tính toán vượt trội so với máy tính cổ điển. Trong cảm biến lượng tử, quantum correlation giúp nâng cao độ chính xác đo lường lên mức chưa từng có.

Nguồn tham khảo

• https://physics.stackexchange.com/questions/296298/what-is-the-difference-between-classical-correlation-and-quantum-correlation
• https://learn.microsoft.com/en-us/azure/quantum/concepts-entanglement
• https://www.youtube.com/watch?v=1KIzQXbPEL8