Vài Phút Quảng Cáo Sản Phẩm
Ở ngưỡng cửa của cách mạng lượng tử trong tin học
Mọi ý kiến đóng góp xin gửi vào hòm thư: [email protected]
Kéo xuống để Tải ngay đề cương bản PDF đầy đủ: Sau “mục lục” và “bản xem trước”
(Nếu là đề cương nhiều công thức nên mọi người nên tải về để xem tránh mất công thức)
Đề cương liên quan: Kết nối giữa phần mềm C# và thiết bị NI
Mục Lục
Tải ngay đề cương bản PDF tại đây: Ở ngưỡng cửa của cách mạng lượng tử trong tin học
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 18. 2014
Ở NGƢỠNG CỬA CỦA CÁCH MẠNG LƢỢNG TỬ TRONG TIN HỌC
Nguyễn Mạnh An1, Nguyễn Văn Hóa2, Cao Long Vân3
TÓM TẮT
Từ khóa:
Tin học và lý thuyết lƣợng tử chắc chắn là hai dòng thác trí thức lớn nhất của thế kỷ
- đã làm thay đổi hoàn toàn nền văn minh của nhân loại. Tin học, nói khác đi là khoa học về máy tinh, mặc dù phôi thai từ thời Charles Babbage vào đầu thế kỷ XIX, đã có đƣợc cơ sở toán học vững chắc nhờ các công trình của nhà toán học gốc Hung (mà ngƣời ta thƣờng nói rằng, đó là một trong những ngƣời của „Sao Hỏa” đã hạ cánh xuống Hung-Ga-Ri vào đầu thế kỷ XX) John von Neumann trong những năm bốn mƣơi của thế kỷ trƣớc. Một sự trùng lặp thú vị là Ông cũng đã xây dựng cơ sở toán học cho lý thuyết lƣợng tử, một trong hai trụ cột của vật lý hiện đại và là lĩnh vực của vật lý đã mang lại những hiệu quả thực tiễn lớn lao. Hai hiệu quả rực rỡ nhất là năng lƣợng hạt nhân và công nghệ bán dẫn, đƣợc khai trƣơng bởi hai thí nghiệm nổi tiếng: bắn phá hạt nhân nguyên tử của Ernest Rutherford năm 1919 và tìm ra các bóng bán dẫn (transistor) năm 1948 bởi John Bardeen, Walter Brattain và William Shocley (Giải Nobel năm 1956). Có thể nói rằng việc phát hiện ra bóng bán dẫn đối với nhân loại là quan trọng hơn việc tìm ra năng lƣợng hạt nhân bởi lẽ năng lƣợng hạt nhân, mặc dù là một nguồn năng lƣợng mới quan trọng, đến nay vẫn chƣa chiếm đƣợc ƣu thế trong các nguồn năng lƣợng nói chung nhƣ đã đƣợc tiềm vọng, thậm chí do vấn đề an ninh mà một số nƣớc trên thế giới (nhƣ Đức) đã bỏ dần nguồn năng lƣợng này. Ngƣợc lại việc phát hiện ra các bóng bán dẫn, và sau đó là các hệ liên kết (intergrated circuit) năm 1959 (Jack Kilby, Giải Nobel năm 2000) đã đƣa đến việc vi hóa các máy tính ở mức không thể tƣởng tƣợng đƣợc trƣớc đó, thúc đẩy sự phát triển vĩ đại của loài ngƣời. Việc „cài đặt” bán dẫn các ý tƣởng của Von Neuman đã dẫn đến việc sản xuất ra các máy tính càng ngày càng nhỏ, càng nhanh và càng rẻ.
1 ,2 TS. Khoa KHTN, Trường Đại học Hồng Đức
- TS. Khoa Vật lý, Đại học Zielona Góra
13
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 18. 2014
Tốc độ phát triển vi tính hóa đƣợc mô tả tốt nhất qua một quy luật kinh nghiệm (empirical) của Gordon Moore, một trong những ngƣời sáng lập ra công ty máy tính nổi tiếng Intel. Qua quan sát sự gia tăng số lƣợng bóng bán dẫn trong một hệ hợp nhất (intergrated system), ông đã rút ra đƣợc quy luật rằng, hàng năm số lƣợng này sẽ tăng gấp đôi (sau chu kỳ này đƣợc thay thành hai năm một). Theo quy luật này, càng ngày càng nhiều các bóng bán dẫn đƣợc đặt trong một hệ hợp nhất càng ngày càng nhỏ. Đến một lúc nào đó trong tƣơng lai gần, ta sẽ tiến đến các giới hạn công nghệ và kinh tế đƣợc xác định bởi chính vật lý, điều có lẽ đã xảy ra hiện nay. Mọi quá trình quang ấn (photolitographic) hiện đại đều vô dụng. Không chỉ kích thƣớc của các bóng bán dẫn bị nhỏ đi mà các các nối giữa chúng cũng bị thu nhỏ lại. Các mật độ dòng lớn sẽ phá hủy các mạch dẫn này. Một vấn đề khó khăn khác là giải nhiệt đƣợc sinh ra từ một mạch nhỏ nhƣ vậy. Ở đây nhiệt năng đƣợc sinh ra bởi hai nguyên nhân. Thứ nhất, các bóng bán dẫn tắt và bật trong hệ hợp nhất rất không có hiệu suất về năng lƣợng, một phần không nhỏ năng lƣợng bị mất mát qua giải nhiệt. Thứ hai, một định luật do Landauer tìm ra nói rằng, cƣ xóa đi một bit thông tin, ta sẽ mất đi một năng lƣợng ở dạng tỏa nhiệt, cỡ bằng động năng của một phân tử khí ở nhiệt độ trong phòng. Các cổng logic cơ sở cổ điển nhƣ AND, OR hoạt động theo kiểu là ở đầu vào ta có hai bit, còn ở đầu ra chỉ còn một bit, do vậy một bit đã bị xóa, điều này gây ra sự tỏa nhiệt. Lúc đó ta nói rằng các cổng này là không thuận nghịch. Do nhiều tỷ tính toán kiểu này mà các hệ thống nhất đƣợc vi hóa bị ”tự nung nóng” và phá hủy trong một thời gian rất ngắn.
Ngoài ra có một lớp các vấn đề không thể giải đƣợc bằng những máy tính hiện đại. Mƣời mấy năm gần đây chúng đã bị gọi là các ”máy tính cổ điển”. Khái niệm cổ điển chỉ là tƣơng đối, phụ thuộc nhiều vào tốc độ phát triển trong lĩnh vực liên quan, điều đã đƣợc Roy Glauber lƣu ý đến trong bài giảng nhân dịp nhận giải Nobel năm 2005. Khi một lĩnh vực kiến thức hay nghệ thuật cho trƣớc phát triển nhanh, khái niệm ”cổ điển” thƣờng là rất mới, ví dụ nhạc cổ điển có trên hai trăm năm, vật lý cổ điển có cách đây hơn một trăm năm, còn máy tính cổ điển đến nay vẫn còn đang hoạt động. Trong nhiều trƣờng hợp, ngay cả những vấn đề giải đƣợc cũng không thể đƣợc thực hiện do tính phức tạp lớn của các thuật toán mô tả chúng. Một ví dụ chuẩn thƣờng đƣợc nói đến là vấn đề phân một số nguyên lớn ra các thừa số nguyên tố. Để phân một số có 400 chữ số ra các thừa số nguyên tố, công suất tính hiện thời cần phải có một thời gian tính toán cỡ bằng tuổi của Vũ trụ. Vấn đề toán học này là nhân tố căn bản trong mật mã nổi tiếng RSA (viết tắt theo tên của những ngƣời xây dựng ra mật mã này: R. L. Rivest, A. Shamir, L. Adelman). RSA đang đƣợc dùng rộng rãi trên internet và các ngân hàng. Nhƣ ta sẽ thấy, máy tính lƣợng tử giải đƣợc vấn đề này trong vòng vài phút, nhƣ vậy mật mã này hoàn toàn không phải là an toàn. Song lý thuyết lƣợng tử rất ”công bằng”, một tay lấy đi, một tay cho lại. Trong khuôn khổ lĩnh vực đƣợc gọi là mã hóa lƣợng tử, một số các hệ mã hóa an toàn đƣợc thiết lập. Chúng không thể bị giải hay nghe trộm đƣợc. Mã hóa lƣợng tử phát triển rất nhanh và nay đã chuyển sang giai đoạn
14
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 18. 2014
thƣơng mại. Ở khía cạnh này nó đã vƣợt sự phát triển của các máy tính lƣợng tử, do để chuyển giao thông tin chúng chỉ cần một số lƣợng không lớn các qubit (đƣợc định nghĩa dƣới đây).
Thật đáng ngạc nhiên là lý thuyết lƣợng tử đƣợc xây dựng trong những năm hai mƣơi của thế kỷ trƣớc trên một khung toán học khá ”cứng” tƣơng ứng với ”lý trí lành mạnh” của ta, lại đƣa đến những hệ quả không ngờ, dƣờng nhƣ trái ngƣợc hoàn toàn với lý trí đó. Những hệ quả đó đem lại sự phát triển vƣợt bậc của nền văn minh, qua việc phát triển các ngành nhƣ điện tử học, đặc biệt trong lĩnh vực máy tính đƣợc nhắc đến ở trên. Chỉ cần nhớ rằng trên 80 phần trăm thu nhập của thế giới có sự tham gia của lý thuyết lƣợng tử. Thế giới lƣợng tử bí ẩn, kỳ lạ nhƣng rõ ràng rất hữu hiệu luôn đem lại cho ta những kết quả bất ngờ, nhƣ sự phát triển của các công nghệ tin học lƣợng tử trong những năm chín mƣơi của thế kỷ trƣớc. Chúng đã xuất hiện là kết quả nối vật lý lƣợng tử với công nghệ máy tính, dựa trên những thành quả mới nhất của vật lý chất rắn, vật lý nguyên tử và phân tử, của quang học và điện tử học lƣợng tử. Điều này dẫn đến sự xuất hiện một lĩnh vực khoa học mới là tin học lƣợng tử. Những thí nghiệm ban đầu thành công đã góp phần xây dựng những mẫu máy tính lƣợng tử đầu tiên, cho phép ta tin tƣởng rằng, ta đang ở ngƣỡng cửa của một cuộc cách mạng công nghệ mới, ít nhất có tầm cỡ nhƣ cuộc cách mạng đã xảy ra hơn sáu mƣơi năm trƣớc, khi các bóng bán dẫn đã đƣợc phát kiến.
- tƣởng tính toán lƣợng tử đã bắt nguồn từ ”kho” các ý tƣởng độc đáo của một trong những bộ óc vĩ đại nhất thế kỷ hai mƣơi, bộ óc của nhà vật lý Mỹ Richard Feynman (giải thƣởng Nobel 1965). Từ năm 1982 ông đã thấy, khi giả lặp động lực học của một hệ nhiều hạt bằng máy tính cổ điển, thời gian tính toán sẽ lớn theo hàm mũ khi số hạt tăng, đòi hỏi phải thiết kế một máy tính hoạt động theo những định luật lƣợng tử. Ba năm sau, nhà toán học Anh Dawid Deutsch đã xây dựng nên những cơ sở cho máy tính đó mà sau này đƣợc gọi là máy tính lƣợng tử.
Trong những năm bốn mƣơi của thế kỷ trƣớc, cũng Feynman đã nhấn mạnh nguyên tắc cộng các biên độ xác suất chứ không phải cộng chính các xác suất, một khi tồn tại các khả năng thực hiện (các con đƣờng) khác nhau của một quá trình cho trƣớc. Các biên độ này là các số phức (ngƣời ta thƣờng nói không gian các trạng thái của một hệ cho trƣớc là một không gian Hilbert, mà trƣớc hết nó là không gian vectơ trên trƣờng số phức), tức là có thể biểu diễn các biên độ này bằng mô-đun và pha. Qua công thức Euler nổi tiếng ta có các sin và côsin. Từ trƣờng trung học ta đều biết các hàm lƣợng giác này biểu diễn các sóng. Nếu chúng đƣợc chồng chất tƣơng ứng, ta sẽ có các giao thoa xây (constructive) hay hủy (destructive). Cũng có thể từ định nghĩa số phức biểu diễn sự đóng góp của mỗi con đƣờng bằng hai số thực, chúng đƣợc coi nhƣ hai thành phần của một vectơ có độ dài không đổi những có hƣớng tùy ý. Việc cộng những đóng góp từ các đƣờng đi khác nhau tƣơng đƣơng với cộng các vectơ này. Trong trƣờng hợp chung, những con đƣờng này là vô số, đòi hỏi phải biết giải tích hàm đƣợc xây dựng bởi Stefan Banach và các nhà toán học khác. Lúc đó
15
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 18. 2014
ta có hình thức luận ”tích phân đƣờng” của Richard Feynman. Trong một số trƣờng hợp, số lƣợng các đƣờng chiếm ƣu thế là hữa hạn. Lúc đó việc cộng một số lƣợng hữu hạn các vectơ không phải là vấn đề khó. Các thuật toán lƣợng tử về cơ bản là các thủ tục điều khiển các biên độ này. Cần phải nghĩ ra một thủ tục dẫn đến các giao thoa lƣợng tử xây, sao cho kết quả từ chúng là thu đƣợc những kết quả mong muốn, còn các kết quả không mong muốn sẽ bị loại trừ qua các giao thoa hủy.
Tất nhiên việc nghĩ ra các thuật toán nhƣ vậy là một việc làm rất khó, vì nhà nghiên cứu ngoài việc hiểu biết rất tốt tin học cổ điển còn phải biết sâu sắc lý thuyết lƣợng tử, một lý thuyết thƣờng cho những kết quả ngƣợc với ”lý trí lành mạnh”. Song thực tế đã chỉ ra rằng đây không phải là ”mission impossible” (việc làm bất khả thi). Một số thuật toán lƣợng tử đã đƣợc tìm ra. Nổi tiếng nhất là thuật toán viễn tải đã đƣợc thực hiện trên một hệ vật lý cụ thể và thuật toán Shor phân tích một số tự nhiên lớn ra các thừa số nguyên tố, đã đƣợc thực hiện trên một bộ xử lý bảy qubit (bit lƣợng tử) để thực hiện thừa số hóa số 15 = 3.5. Trong thuật toán này, các giao thoa lƣợng tử xây dẫn đến các cặp số rất gần lời giải đúng với một xác suất lớn. Khả năng điều khiển ở mức các biên độ xác suất chứ không phải ở mức các xác suất là cơ sở của mọi công nghệ lƣợng tử, không chỉ cho việc xây dựng các máy tính lƣợng tử. Máy tinh cổ điển không có khả năng tiếp cận với các biên độ của vectơ trạng thái là tổ hợp tuyến tính của các vectơ của cái gọi là cơ sở tính toán, khái niệm sẽ đƣợc đề cập đến dƣới đây.
Một câu hỏi đƣợc đặt ra, các máy tính lƣợng tử có ƣu thế gì đối với các máy tính cổ điển? Để thấy đƣợc điều này, ta hãy xem xét kỹ hơn sự hoạt động của một máy tính lƣợng tử. Sơ đồ các mày tính lƣợng tử đƣợc biểu diễn trên hình 1.
Hình 1
- đầu vào là trạng thái ban đầu của hệ vật lý thực hiện các tính toán lƣợng tử theo các định luật của vật lý lƣợng tử. Hệ đơn giản nhất là một qubit, đơn vị nhỏ nhất của tin học lƣợng tử, là khái niệm tƣơng ứng của bit cổ điển với các trạng thái chỉ có thể là 0 hoặc
- Bit là một phần tử cơ bản của một máy tính cổ điển bất kỳ, có thể đƣợc cài đặt bằng một
16
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 18. 2014
hệ vật lý bất kỳ chỉ có hai trạng thái. Trong các máy tính hiện thời, hệ này là một bóng bán dẫn đã đƣợc nói đến ở trên. Khác với bit, trạng thái của một qubit nằm trên một continum của mặt cầu hai chiều với bán kính bằng 1, đƣợc gọi là mặt cầu Bloch (Hình 2)., vì qubit không chỉ nằm trong hai trạng thái đặc biệt mà còn nằm trong một trạng thái bất kỳ là tổ hợp tuyến tính (phức) của chúng, điều là hệ quả của việc không gian Hilbert các trạng thái của qubit trƣớc hết là một không gian vectơ, trong đó một vectơ bất kỳ có thể đƣợc biểu diễn ở dạng chồng chất của các vectơ thuộc cơ sở tính toán. Nó có thể đƣợc cài đặt bằng một hệ lƣợng tử bất kỳ hai trạng thái, ví dụ bằng một hạt có spin ½ nhƣ điện tử, hay một phôtôn ở các trạng thái phân cực khác nhau.
Hình 2
Vậy một qubit có thể nằm trong các trạng thái 0 hay 1, hoặc trong một tổ hợp bất kỳ của chúng, có nghĩa là có thể đồng thời biểu diễn cho không hay một. Nhƣ ta đã nhấn mạnh trên đây, đây là hệ quả của tiên đề về các trạng thái, một trong những tiên đề cơ bản của hình thức luận lƣợng tử. Cho đến nay không có bất cứ một dữ liệu thực nghiệm nào mâu thuẫn với tiên đề này. Thế nào là đồng thời “tàng trữ” không và một? Theo minh họa của trƣờng phái Copenhagen hiện đang đƣợc chấp nhận bởi cộng đồng các nhà vật lý, nếu ta thực hiện một phép đo trên qubit nhƣ vậy, trạng thái tổ hợp sẽ bị phá hủy (collapse) đến một trong hai trạng thái 0 hay 1 (tức là qubit sẽ rơi hoặc vào trạng thái 0, hoặc trạng thái 1) với
xác suất tƣơng ứng bằng a 2 hay b 2 (tất nhiên a 2 + b 2 =1). Từ đó ta thấy rằng hệ lƣợng
tử rất “hà tiện”. Từ sƣ giàu có lớn lao (continuum) của nguồn tài nguyên thông tin của mình, hệ chỉ cho ta biết một số lƣợng hữu hạn các thông tin, hơn nữa chỉ ở dạng ngẫu nhiên! Song nhƣ ta thấy dƣới đây, “kẻ hà tiện” lƣợng tử đó cho phép ta ghi một số lƣợng thông tin khổng lồ so với bộ nhớ cổ điển. Ngoài ra nó còn cho phép ta đƣợc tính toán trƣớc khi đo, nghĩa là tính toán trên các tổ hợp: khi có một qubit có thể thực hiện tính toán đồng thời hai tính toán song song. Nhƣ vậy qubit đảm nhận đồng thời vai trò là bộ nhớ hoạt lẫn là một đơn vị tính toán.
Tập một số hữu hạn các qubit đƣợc gọi là một bộ ghi (register). Một tiên đề tiếp của cơ học lƣợng tử nói rằng, trạng thái của register là tích tenxơ của tấc cả các không gian qubit hai chiều có trong thành phần của register cho trƣớc. Những tính toán đại số đơn giản chỉ ra rằng, một register hai qubit biểu diễn một tổ hợp bất kỳ của bốn trạng thái (00, 01, 10,
17
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 18. 2014
11), còn một register ba qubit – một tổ hợp bất kỳ của tám trạng thái (000, 001, 010, 011,
100, 101, 110, 111) v.v. Ví dụ nếu ta chuẩn bị trạng thái ban đầu của một qubit là
12 (0 + 1), lúc đó register hai qubit tàng trữ đồng thời bốn số 0, 1, 2, 3 (có dạng nhị phân
00, 01, 10, 11) , còn register ba qubit – tám số 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Nói chung, một register N qubit tàng trữ 2N số. Ngoài ra, việc tính toán trƣớc khi đo trên các trạng thái tổ hợp cho ta khả năng tính toán song song: một bƣớc tính lƣợng tử tác động lên cả register, ngay cả khi chỉ tác động lên một hay vài qubit của register (kiểu U1, U2, U3, U4 trên hình 1) gây ra sự thay đổi tất cả các số đƣợc ghi trên register cho trƣớc.
Theo một tiên đề khác của cơ học lƣợng tử, các phép tính là các toán tử (ma trận) unita, quan trọng hơn nữa là các phép tính (các cổng) lƣợng tử là thuận nghịch, dẫn đến không có sự tỏa nhiệt do xóa đi các thông tin (các bit) nhƣ định lý Landauer đã đề cập đến. Một bộ xử lý N qubit tƣơng đƣơng với 2N bộ xử lý cổ điên song song, tức là giải đƣợc một vấn đề cho trƣớc trong thời gian gần bằng thời gian tính toán của một số lƣợng nhƣ vậy các bộ xử lý cổ điển song song.
Hệ tổng hợp của hai hay nhiều các hệ con còn có một tính chất quan trọng: các hệ con của nó có các tƣơng quan lƣợng tử mà tồn tại ngay cả khi các hệ con này ở rất xa nhau, nghĩa là khi không hề có bất cứ một sự liên quan nào theo nghĩa cổ điển. Sự „tác động ma quái trên khoảng cách” này, nhƣ Albert Einstein đã gọi, là hệ quả của tính phi địa phƣơng của cơ học lƣợng tử. Cùng với các cộng sự trẻ hơn của mình là Borys Podolski i Natan Rosen, ông đã dùng điều này trong một công trình đƣợc công bố năm 1935 để phê phán minh họa của trƣờng phái Copenhagen với ngƣời đứng đầu là Niels Bohr. Để ví dụ ta xem xét một thí nghiệm tƣởng tƣợng, trong đó có chú mèo nổi tiếng của Erwin Schrödinger. Theo nguyên tắc chồng chất, hệ phức hợp (nguyên tử + chú mèo) có thể nằm trong trạng thái
|
Y = |
1 ( |
, mèosèng + |
, mèochÕt ). |
|
2 |
Bây giờ ta sẽ tƣởng tƣợng rằng, hai nhân vật, ví dụ nhƣ Alice và Bob, có hệ đƣợc chuẩn bị trong một trạng thái nhƣ vậy. Một ngày nào đó Bob du hành rất xa, ví dụ đến một hệ thiên hà láng giềng sông Ngân Hà của chúng ta. Anh mang theo chú mèo và để lại cho Alice trên Trái đất nguyên tử. Cũng một ngày nào đó Alice thực hiện việc quan sát nguyên tử trong phòng thí nghiệm của mình. Chị sẽ thu đƣợc hai kết quả có thể có với xác suất nhƣ nhau: nguyên tử bị phân rã hay không bị phân rã. Khi kết quả chị thu đƣợc là sự phân rã của nguyên tử, chị biết là ngay lúc đó chú mèo mà Bob mang theo bị chết, còn khi nguyên tử chƣa phân rã, chú mèo sống. Trong thƣ của mình viết cho Einstein, ông đã gọi „sự tác động ma quái trên khoảng cách”, này (cũng giống nhƣ sự tƣơng quan giữa hai hạt trong thí nghiệm tƣởng tƣợng của EPR) bằng tiếng Đức là verschränkung (tiếng Anh:
18
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 18. 2014
entanglement – sự đan rối). Sự nhất trí của hai nhà bác học này trong phê phán cơ học lƣợng tử đã bị Niels Bohr bình luận sau đó (trong tháng ba năm 1936) là một việc làm „đáng chê trách”, có thể coi đó nhƣ là „một vụ đảo chính”! Những thí nghiệm đƣợc thực hiện trong năm 1982 bởi Alain Aspect và các cộng sự đã chỉ ra rằng lý thuyết lƣợng tử theo minh họa Copenhagen là đúng, còn sự phê phán của Einstein và những ngƣời khác là sai. Nói một cách toán học, trong không gian Hilbert các trạng thái của hệ phức hợp là tích tenxơ của các không gian trạng thái thành phần, tồn tại các vectơ trạng thái mà không thể biểu diễn chúng đƣợc là các tích ten xơ của các vec tơ trạng thái thành phần. Trong ví dụ trên ta có:
Y ¹ YNguyª n tö Ä YMÌo .
Tính đan rối không địa phƣơng là một trong những nguồn tài nguyên chính của tin học lƣợng tử, ví dụ nó đƣợc dùng trong viễn tải các trạng thái lƣợng tử. các cặp hạt đan rối nhƣ các nguyên tử hay các phôtôn (đƣợc gọi là các cặp EPR) trở thành các thành phần quan trọng của các thuật toán (các biên bản-protocol) lƣợng tử khác nhau. Tƣởng nhƣ rằng nhờ đan rối có thể xây dựng đƣợc các hệ chuyển thông tin ngay tức thì. Song nhƣ ta thấy từ ví dụ ở trên, Bob chỉ có thể khẳng định chác chắn là chú mèo của mình sông hay chết khi Alice thông báo cho Bob những thông tin về kết quả quan sát của mình qua các kênh truyền thống nhƣ điện thoại hay internet. Vậy tiên đề nói vận tốc ánh sáng là vận tốc giới hạn vẫn đƣợc bảo toàn. Tƣơng tự trong trƣờng hợp viễn tải, khi không có những thông tin từ Alice qua các kênh truyền thông truyền thống,Bob không thể „chế biến” thích hợp trạng thái của hạt thuộc cặp EPR mà anh mang theo để thu đƣợc trạng thái qubit đƣợc viễn tải. Hai trụ cột của vật lý hiện đại, lý thuyết lƣợng tử và lý thuyết tƣơng đối một lần nữa lại „chung sống hòa bình”, cũng nhƣ chúng đã làm trong khuôn khổ lý thuyết trƣờng lƣợng tử, một lý thuyết kết hợp hai trụ cột đó để mô tả mọi hiện tƣợng trong thiên nhiên.
Theo quan điểm toán học, tính toán lƣợng tử về cơ bản là rất đơn giản. Nó đƣợc thực hiện trong các không gian Hilbert hữu hạn chiều, trong đó các vectơ (rejestr) và các toán tử tuyến tính (các cổng) đƣợc biểu diễn bằng các cột và các ma trận. Mọi khó khăn liên quan đến tính vô hạn không còn nữa.
Dƣờng nhƣ yếu điểm của các máy tính lƣợng tử có thể là việc đọc một cách ngẫu nhiên các kết quả của phép đo trên trạng thái cuối nhƣ trên hình 1.
Thật may là số lƣợng các kết quả có thể có là hữu hạn. Có thể thẩm tra chúng bằng các thuật toán nhanh để khẳng định kết quả nào từ chúng là đúng. Nhƣ trong trƣờng hợp thuật toán Shor đƣợc đề cập đến trên đây, nhân hai số nguyên tố thu đƣợc là một việc làm hết sức dễ, dễ hơn nhiều việc làm ngƣợc lại là phân tích một số cho trƣớc ra hai thừa số nguyên tố.
Khó khăn chính trong việc xây dựng máy tinh lƣợng tử là ở chỗ khác, đó là sự mâu thuẫn giữa các yêu cầu đƣợc đặt ra đối với máy tính lƣợng tử. Một mặt các máy tính này
19
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 18. 2014
phải đƣợc cách ly khỏi môi trƣờng xung quanh để bảo toàn đƣợc các tính chất kết hợp cần thiết, tức là bảo toàn đƣợc các tổ hợp của các trạng thái. Chúng rất monh manh, dễ bị phá vỡ. Môi trƣơng xung quanh không ngừng đo và phá hủy chúng. Sự mất mát thông tin ra ngoài hệ lƣợng tử đƣợc gọi là sụ hủy kết hợp. Đây cũng là nguyên nhân chính tại sao ta không quan sát đƣợc các biểu hiện lƣợng tử kỳ quặc trong cuộc sống hàng ngày. Mặt khác các qubit đồng thời phải sẳn sàng là đối tƣợng cho những điều khiển (sự tiến hóa) và đọc (các phép đo). Nhiệm vụ của các nhà thiết kế máy tính lƣợng tử là phải tìm ra đƣợc sự ”dung hòa vàng”, cho phép sự hủy kết hợp tác động một cách hữu ích, nghĩa là cho phép nó phá hủy (kolaps) tổ hợp lớn các trạng thái của máy tính lƣợng tử cùng với các tính chất giao thoa tế nhị của chúng đến một trạng thái đơn độc biểu diễn kết quả mong muốn. Để tiến đến mục đích này, gần đây nhiều kết quả căn bản đã đạt đƣợc trong điều khiển các trạng thái lƣợng tử đơn độc, đã vài lần đƣợc giải thƣởng Nobel nhƣ: Claude Cohen Tannoudji, Steven Chu, Williams Phillips (1997), Eric Cornell, Wolfgang Keterle, Carl Wieman (2001), Roy Glauber (2005), và gần đây nhất là Serge Haroche, David Wineland đã nhận giải thƣởng này vào năm ngoái. Cũng trong năm này, viễn tải cũng là một trong những đối thủ ”nghiêng ngửa”. Có thể dự đoán rằng, không sớm thì muộn thành tựu này sẽ đƣợc đăng quang.
Tình trạng hiện nay trong tin học lƣợng tử có thể so sánh với tình trạng của năng lƣợng nguyên tử trong những năm ba mƣơi của thế kỷ trƣớc. Ta tin tƣởng rằng, cũng nhƣ trong năng lƣợng hạt nhân, sau mƣơi năm nữa ta sẽ có thể có những máy tính lƣợng tử đầu tiên làm thay đổi hoàn toàn bộ mặt của nền văn minh nhân loại.
Trong các số tới của tập san Journal of Science, chúng tôi sẽ lần lƣợt đang một loạt bài tổng quan, vừa nhằm mục đích giới thiệu lĩnh vực mới này của vật lý với các ý nghĩa hiểu biết và thực tiễn lớn lao, vừa cung cấp những thông tin căn bản để các sinh viên vật lý và toán học có thể tiệm cận và tham gia nghiên cứu những vấn đề liên quan đến thông tin lƣợng tử. Bạn đọc cũng có thể làm quen với chúng trƣớc trong các công trình tổng quan [1,2,3]. Song các bài viết sắp tới sẽ ở dạng mở rộng hơn, dễ hiểu hơn, dựa trên các bài giảng trong học kỳ hai niên học 2012/2013 tại Trung tâm Nghiên Cứu Khoa Học Cao của ĐHBK Vác-xa-va (Ba Lan).
Đồng thời một số công trinh liên quan đầu tiên cũng sẽ đƣợc công bố với sự tham gia của các nhà vật lý trong và ngoài nƣớc.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- Cao Long Vân, Tạ Phƣơng Hạnh, Tin học lƣợng tử và máy tính lƣợng tử (I), Tạp Chí Ứng Dụng Toán Học, Tập III, Số 1, 2005, 83-102.
- Cao Long Vân, Tin học lƣợng tử và máy tính lƣợng tử (II), Tạp Chí Ứng Dụng Toán Học, Tập III, Số 2, 2005, 77-100.
- Cao Long Vân, Tin học lƣợng tử và máy tính lƣợng tử (III): Các thuật toán lƣợng tử, Tạp Chí Ứng Dụng Toán Học, Tập IV, Số 1, 2006, 73-90.
20
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 18. 2014
Nguyen Van Hoa, Nguyen Manh An, Cao Long Van
ABSTRACT
This paper is an introduction to the new domain of physics, namely Quantum Information and Quantum Computer. We introduce some fundamental concepts in three related sciences: computer science, mathematics and physics. The reader could treat this paper as a prelude to our series of papers printed in this Journal, presenting the fundamental tools of quantum information. The paper in an extended form of a lecture given by the third author in the Center of Advanced Studies, Warsaw Technical University in 10 January 2013.
Keywords:
21
