Máy tính lượng tử là gì và vì sao nó có khả năng tính toán siêu đẳng?

Được cho là sẽ thay đổi hoàn toàn các quy tắc của máy tính, các máy tính lượng tử đang được kỳ vọng sẽ mang lại khả năng tính toán gấp hàng triệu lần các máy tính thông thường.

Trong thời gian vừa qua, các công ty như IBM, Google, Microsoft, D-wave đều công bố về các bước tiến mới đối với máy tính lượng tử, đặc biệt IBM đã bắt đầu đưa máy tính lượng tử 5 qubit lên “đám mây” để người dùng trên thế giới có thể làm quen và thử nghiệm sức mạnh của chiếc máy tính. Bên cạnh đó, các ngôn ngữ lập trình lượng tử cũng như các nền tảng phát triển ứng dụng phần mềm dựa trên máy tính lượng tử cũng được các công ty đặc biệt chú ý.

Tuy vậy, cũng giống như cơ học lượng tử, máy tính lượng tử vẫn là thứ rất khó hiểu và mơ hồ đối với mọi người. Bài viết này sẽ giới thiệu cho bạn những thông tin cơ bản về máy tính lượng tử và khả năng ứng dụng của chúng.

Phần 1: Những nguyên tắc cơ bản của cơ học lượng tử được sử dụng trong máy tính lượng tử

Lưỡng tính sóng hạt của vật chất

Một trong những khái niệm quan trọng nhất của cơ học lượng tử là: vì một lý do nào đó, các vi hạt ở mức độ nguyên tử (nguyên tử, phân tử) và hạ nguyên tử (hạt nhân, proton, electron, photon…) vừa có tính chất của sóng lẫn tính chất của hạt (wave-particle duality).  

Thí nghiệm cơ bản nhất chứng minh lưỡng tính sóng hạt của vật chất là thí nghiệm khe đôi lượng tử:

Nếu bạn phát một chùm vi hạt bay qua 2 khe hở song song đến đập vào bức tường, trên đó có gắn máy dò, bạn sẽ phát hiện ra một dải các vệt sáng sẽ xuất hiện. Nó được gọi là mẫu giao thoa do sự nhiễu xạ của các sóng hạt khi đi qua khe đôi này.

Giống như làn sóng, các sóng hạt đi qua một khe sẽ nhiễu xạ các sóng hạt đi qua khe còn lại. Nếu đỉnh (cực đại biên độ) của sóng từ khe này trùng với đáy (cực tiểu biên độ) của sóng từ khe kia, chúng sẽ triệt tiêu nhau và không hiển thị trên màn hình. Nếu 2 đỉnh sóng trùng nhau, chúng sẽ cộng véctơ và tạo ra vệt sáng trên bức tường, đây còn được gọi là hiện tượng giao thoa hay chồng chập (superposition) sóng của các hạt.

>> Lần đầu tiên thực hiện được Dịch chuyển lượng tử giữa Trái Đất và vệ tinh

Spin: mô-men động lượng không tồn tại trong vật lý cổ điển

Năm 1925, hai nhà vật lý người Hà Lan là George Uhlenbeck và Samuel Goudsmit đã phát hiện rằng electron có một loại chuyển động đặc biệt tạo ra tính chất từ phù hợp với các số liệu đo được: đó là chuyển động tự quay, hay còn gọi là spin.

Hai ông đã viết một bài báo ngắn, với kết luận “các electron vừa quay vừa tự quay”. Theo bài báo ngắn trên, mỗi electron trong vũ trụ luôn luôn và mãi mãi tự quay với một tốc độ cố định. Vì thế chúng luôn có mô-men động lượng riêng (sau gọi tắt là spin). Spin là một khái niệm thuần túy lượng tử, không có sự tương ứng trong cơ học cổ điển.

Quan niệm về spin sau đó được chứng tỏ rằng có mâu thuẫn với thuyết tương đối. Tuy nhiên, cho dù nguồn gốc sinh ra spin như thế nào chưa rõ, spin của tất cả các hạt cơ bản tạo nên thế giới vật chất, như electron, quark đều khác không và bằng ħ/2 (ħ là hằng số plank), gọi tắt là 1/2. Các hạt như photon có spin bằng 1… Như vậy, spin là một đặc trưng nội tại của hạt, nó cố hữu giống như khối lượng và điện tích đặc trưng của hạt đó. Nếu một electron không có spin thì nó không còn là một electron nữa.

Chồng chập lượng tử và qubit

Chồng chập lượng tử (hay chồng chất lượng tử, xếp lớp lượng tử – quantum superposition) là việc áp dụng nguyên lý chồng chập vào cơ học lượng tử. Nguyên lý chồng chập vốn là sự cộng véctơ các véctơ sóng trong giao thoa. Trong cơ học lượng tử, các véctơ hàm sóng, hay véctơ trạng thái được cộng.

Cụ thể, chồng chập lượng tử có thể được phát biểu là “nếu một hệ lượng tử có thể được phát hiện ở một trong 2 trạng thái, A và B với các tính chất khác nhau, nó cũng có thể được phát hiện ở trạng thái tổ hợp của chúng, aA + bB, ở đó a và b là các số bất kỳ”.

>> 5 thí nghiệm khoa học chứng minh suy nghĩ của bạn tác động lên vật chất

Với thí nghiệm khe đôi được đề cập bên trên, các nhà vật lý lượng tử còn phát hiện rằng hiện tượng giao thoa hay chồng chập sóng của các hạt vẫn xuất hiện sau khe đôi khi chỉ phát ra một electron tại một thời điểm. Điều này có nghĩa là một electron cũng tạo ra hiện tượng chồng chập các trạng thái của bản thân nó.

Điều này được ứng dụng vào máy tính lượng tử với việc tạo ra các quantum bit (bit lượng tử), gọi tắt là qubit. Các nhà phát minh máy tính lượng tử sử dụng một vi hạt như một qubit, và trạng thái spin hướng lên hay hướng xuống của vi hạt tương ứng với trạng thái của qubit.

Khác với máy tính kỹ thuật số dựa trên tranzitor đòi hỏi cần phải mã hóa dữ liệu thành các chữ số nhị phân, mỗi số được gán cho 1 trong 2 trạng thái nhất định là 0 hoặc 1, tính toán lượng tử sử dụng các bit lượng tử ở trong trạng thái chồng chập để tính toán. Điều này có nghĩa là 1 bit lượng tử có thể có giá trị 0 và 1 ở cùng 1 thời điểm, tức là xảy ra hiện tường chồng chập lượng tử của qubit.

Để giải thích điều này, hãy hình dung rằng có một đồng tiền được tung lên. Trước khi nó tiếp đất bằng mặt trước hay mặt sau, nó sẽ quay tít trong không trung với tốc độ cực nhanh. Và khi nó đang quay tít như vậy, tại một thời điểm nhất định bạn xác định mặt của đồng xu thì nó sẽ có cả 2 trạng thái, sấp và ngửa.

Như vậy, nếu một máy tính có 2 qubit, tại một thời điểm nó sẽ có 2² = 4 trạng thái, 3 qubit sẽ có 2³ = 8 trạng thái, N qubit sẽ có 2^N  trạng thái của qubit đồng thời. Điều này có nghĩa là chiếc máy tính lượng tử N qubit sẽ có tương đương với sức mạnh của 2^N máy tính chạy song song nhau. Điều này lý giải tại sao máy tính lượng tử có khả năng tính toán cực nhanh so với máy tính thông thường.  

Về mặt lý thuyết, một máy tính có nhiều qubit có khả năng xử lý một lượng tác vụ vô cùng lớn như tính toán số học hoặc thực hiện tìm kiếm cơ sở dữ liệu cực lớn trong thời gian nhanh hơn nhiều so với các máy tính thông thường.

Một máy tính lượng tử có thể giải quyết cực nhanh những vấn đề phức tạp mà các siêu máy tính hiện nay dù mất hàng triệu năm vẫn không tìm ra được lời giải đáp.

Rối lượng tử

Rối lượng tử hay vướng víu lượng tử cũng có người gọi là liên đới lượng tử (quantum entanglement) là một hiệu ứng trong cơ học lượng tử trong đó trạng thái lượng tử của hai hay nhiều vật thể có liên hệ với nhau, dù cho chúng có nằm cách xa nhau. Ví dụ, có thể tạo ra hai vật thể sao cho nếu quan sát thấy spin của vật thứ nhất quay xuống dưới, thì spin của vật kia sẽ phải quay lên trên, hoặc ngược lại; dù cho cơ học lượng tử không tiên đoán trước kết quả phép đo trên vật thứ nhất. Điều này nghĩa là phép đo thực hiện trên vật thể này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái lượng tử trên vật thể vướng víu lượng tử với nó.

Hiệu ứng này, được khẳng định bởi quan sát thực nghiệm, cũng gây ra sự thay đổi nhận thức rằng thông tin về một vật thể không nhất thiết chỉ có thể thay đổi bằng cách tương tác với các vật ngay gần nó. Nó cũng dẫn đến một vấn đề khác là, tốc độ truyền tin giữa 2 vậy thể có vướng víu lượng tử sẽ nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Điều này kỳ dị đến mức mà nhà bác học Einstein gọi nó là “tác động kỳ quái từ xa”.

Sự khác biệt của qubit so với bit cổ điển, không chỉ ở sự biến thiên giá trị liên tục thông qua chồng chập lượng tử, mà còn ở chỗ cùng một lúc nhiều qubit có thể tồn tại và liên hệ với nhau qua hiện tượng rối lượng tử . Sự vướng víu này có thể xảy ra ở khoảng cách vĩ mô giữa các qubit, cho phép chúng thể hiện các chồng chập cùng lúc của nhiều dãy ký tự (ví dụ chồng chập 01010 và 11111). Tính chất “song song lượng tử” này là thế mạnh cơ bản của máy tính lượng tử.

Bằng việc giải các tích phân chuyển động đối với ma trận mật độ, áp dụng các phép gần đúng, người ta đã thấy rằng sự biểu diễn trạng thái trên một qubit tự do còn chịu ảnh hưởng của các trạng thái của qubit khác. Thành lập cụ thể các phương trình này sẽ cho ta cơ chế truyền thông tin của các qubit.

>> Khám phá quan trọng nhất của thời đại: Khống chế năng lượng ‘miễn phí’ từ thinh không

Sự sụp đổ của hàm sóng

Trong thí nghiệm đối với khe đôi lượng tử, các nhà khoa học không chỉ chứng minh được sự tồn tại của lưỡng tính sóng – hạt của vật chất mà  còn phát hiện ra được một vấn đề cũng rất kỳ lạ, đó là hiện tượng sụp đổ của hàm sóng (wave function collapse):

Khi phát ra một electron tại một thời điểm, nếu không có sự quan sát của thiết bị và con người tại khe đôi, electron sẽ dường như “tách đôi” và đi qua cả hai khe để tạo ra hiện tượng chồng chập các trạng thái spin lượng tử như là các sóng hạt.

Nhưng khi có các thiết bị quan sát của con người, electron sẽ chỉ đi qua một khe đôi và không gây ra hiện tượng chồng chập sóng hạt ở màn chắn phía sau. Trong trường hợp này, electron hoạt động thuần túy như một hạt, hay có thể nói tính chất sóng của nó đã không còn. Người ta gọi hiện tượng này là sự sụp đổ của hàm sóng.

Trong máy tính lượng tử, việc đo lường trạng thái lượng tử cần được thực hiện để xác định các giá trị qubit tại một thời điểm, điều này dẫn đến sự sụp đổ trạng thái chồng chập của các qubit (decoherence), khiến cho trạng thái chồng chập của qubit diễn ra trong thời gian rất ngắn trước khi sụp đổ và mất nhiều thời gian để khôi phục lại. Đây là một trong những thách thức lớn khi xây dựng các máy tính lượng tử.

Thiện Tâm tổng hợp

Đón xem phần 2: Những mẫu máy tính lượng tử đầu tiên và các ứng dụng

Xem thêm: