Khác với máy tính truyền thống sử dụng bit chỉ nhận giá trị 0 hoặc 1, máy tính lượng tử hoạt động dựa trên qubit – đơn vị thông tin lượng tử có thể tồn tại trong trạng thái chồng chập của 0 và 1. Nhờ hiện tượng này cùng các nguyên lý như vướng víu lượng tử và giao thoa, máy tính lượng tử có thể xử lý một số bài toán theo cách hoàn toàn khác biệt so với máy tính hiện nay.

Một trong những lĩnh vực được kỳ vọng hưởng lợi lớn nhất là y học và dược phẩm. Việc mô phỏng cấu trúc phân tử, tương tác giữa các nguyên tử và phản ứng hóa học đòi hỏi năng lực tính toán khổng lồ. Máy tính lượng tử có tiềm năng mô phỏng những hệ thống lượng tử phức tạp này chính xác hơn, hỗ trợ các nhà khoa học tìm kiếm vật liệu mới, thiết kế thuốc và phát triển phương pháp điều trị bệnh.

Trong lĩnh vực năng lượng và môi trường, công nghệ này có thể giúp nghiên cứu pin thế hệ mới, chất xúc tác hiệu quả hơn, vật liệu siêu dẫn và các quy trình sản xuất ít tiêu hao năng lượng. Những tiến bộ như vậy có thể góp phần giải quyết các bài toán lớn về lưu trữ điện, giảm phát thải và chuyển đổi năng lượng sạch.

Hệ thống máy tính lượng tử với cấu trúc làm lạnh đặc biệt. Ảnh: research.ibm.com

Tuy nhiên, công nghệ này cũng đặt ra thách thức lớn đối với an ninh mạng. Thuật toán lượng tử đủ mạnh trong tương lai có thể phá vỡ một số phương pháp mã hóa đang bảo vệ giao dịch ngân hàng, dữ liệu cá nhân và thông tin chính phủ. Vì vậy, nhiều quốc gia đang phát triển mật mã hậu lượng tử nhằm bảo vệ hệ thống thông tin trước nguy cơ này.

Dẫu vậy, máy tính lượng tử chưa thể thay thế máy tính thông thường. Qubit rất dễ bị nhiễu bởi môi trường, đòi hỏi hệ thống kiểm soát cực kỳ chính xác và công nghệ sửa lỗi phức tạp. Hiện nay, nhiều ứng dụng quan trọng vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm.

Có lẽ tương lai không phải là một thế giới nơi mọi chiếc máy tính đều sử dụng công nghệ lượng tử, mà là sự kết hợp giữa hai nền tảng. Khi đó, máy tính truyền thống đảm nhiệm những công việc thường ngày, còn máy tính lượng tử giải quyết những bài toán đặc biệt khó khăn, mở ra những hướng nghiên cứu và sáng tạo mà trước đây con người khó có thể tưởng tượng.