Máy tính lượng tử với những thách thức lớn

Máy tính lượng tử hay còn gọi là Quantum computer, giấc mơ của bất kỳ nhà khoa học máy tính nào, là một máy tính cực nhanh có thể giải mật mã, đưa ra các dự báo thời tiết sớm, hay đánh bại một đại kiện tướng cờ vua chỉ trong một giây. Ngày nay, nếu máy tính lượng tử vẫn được coi là khoa học viễn tưởng thì nó cũng không thể ngăn cản các nhà toán học và vật lý học nghiên cứu phác thảo các nét chính về hoạt động của một máy tính lượng tử. Nguyên lý cơ bản của nó là tận dụng các quy luật cơ học lượng tử cho phép một hạt, một nguyên tử hoặc một phân tử tồn tại ở hai trạng thái cùng một lúc. Trong khi các máy tính hiện nay lưu trữ dữ liệu dưới dạng các bit ở một trong hai trạng thái hoặc là 0 hoặc là 1, thì máy tính lượng tử lưu trữ dữ liệu bằng các bit lượng tử (hay còn gọi là qubit) ở đồng thời cả hai trạng thái là 0 và 1.

Ưu điểm của máy tính lượng tử là khả năng lưu trữ (về nguyên tắc) thông tin của một số lượng lớn các giải pháp tiềm năng cho một vấn đề trong cùng một bộ nhớ và - bằng cách ứng dụng các thuật toán phù hợp- xử lý tất các các giải pháp này trong cùng một thời điểm. Điều này sẽ biến tất cả siêu máy tính hiện nay thành những di vật thời kỳ đồ đá.

Con đường dài phía trước

Liệu máy tính lượng tử có trở thành hiện thực? Và nếu có, nó có tạo ra những điều thực sự kỳ diệu không? Không có gì khó tin hơn!. Máy tính lượng tử bắt đầu từ một ý tưởng giản đơn xuất hiện vào những năm 1980 do Richard Feynman, một nhà vật lý học đã được giải Nobel khởi xướng. Theo Julia Kempe: “Feynman giải thích rằng, máy tính lượng tử có khả năng tính toán các thuộc tính của hạt lượng tử, như electron, nhanh hơn rất nhiều so với máy tính truyền thống. Mỗi electron có thể được mã hoá trong một qubit, trong khi phải cần đến một số lượng lớn các bit truyền thống để mã hoá nhiều trạng thái khác nhau trong cùng một thời điểm. Nhưng đây vẫn chỉ là trên ý tưởng”. Năm 1994, Peter Shor, một nhà nghiên cứu tại AT&T Laboratories, Mỹ, đã chứng minh rằng một máy tính lượng tử có thể phân tích một số ra thừa số nguyên tố trong thời gian ngắn kỷ lục, điều này đủ để làm cho các nhà mã hoá phải kinh ngạc, vì cho đến nay việc phân tích một số ra thừa số nguyên tố đòi hỏi rất nhiều thời gian. Đó chính là chìa khoá cho tất cả các hệ mật mã, dù là thẻ tín dụng hay tài liệu tối mật. Năm 1997, Lov Grover, một nhà nghiên cứu tại AT&T, chứng minh rằng một máy tính sử dụng qubit có thể nâng cao đáng kể hiệu quả của các thuật toán nhằm mục đích tìm kiếm thông tin trong cơ sở dữ liệu. Mặc dù tại thời điểm đó các nhà toán học và vật lý học đã nỗ lực để chứng minh lợi ích của máy tính lượng tử nhưng chúng vẫn còn quá xa vời. Trên thực tế, cho đến nay, không ai biết chính xác một qubit sẽ được làm từ nguyên tử, ion, phân tử, electron hay mạch siêu dẫn. Hơn nữa, môi trường của nó là ở thể rắn, lỏng hay khí? Tất cả vẫn còn là một bí ẩn.

Hiện nay, một số nhà nghiên cứu trên thế giới đã thử nghiệm các loại vật liệu tiềm năng có thể sử dụng như là thành tố cơ bản trong vi xử lý lượng tử tương lai. “Chúng tôi đang nghiên cứu các qubit ở cả hai trạng thái 0 và 1 tương ứng với các trạng thái spin (trạng thái chuyển động quay của hạt quanh chính nó) của các phân tử hoặc ion kim loại nhất định”, Bernard Barbara, nhà nghiên cứu thuộc Institut Néel ở Grenoble, giải thích.

Sự mất kết hợp được coi là kẻ thù

Đối với các nhà vật lý, chế tạo ra máy tính lượng tử có thể sử dụng được vẫn còn rất xa vời. Giờ đây, họ đang cố gắng hết sức mình, vượt qua khó khăn tiềm ẩn trên con đường đi đến máy tính lượng tử: cái gọi là sự mất kết hợp (decoherence). Theo Barbara: “Bất kỳ hệ thống nào có nhiều trạng thái xếp chồng lượng tử đều dễ bị sụp đổ. Thông qua tương tác với môi trường, nó có thể mất các thuộc tính được yêu cầu cho bất kỳ việc tính toán lượng tử nào trong một phần nhỏ của giây, và càng có nhiều qubit thì máy tính càng dễ sụp đổ”. Hiện nay, Issac Chuang, nhà nghiên cứu thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (Mỹ), là người thực hiện thành công nhất trong việc tính toán bằng qubit. Năm 2011, bằng việc sử dụng spin hạt nhân một cách hiệu quả với dung lượng 7 qubit, các nhà nghiên cứu đã thử phân tích số 15 , chỉ ra rằng đó là tích các thừa số nguyên tố là 3 và 5. “Nhưng để thực sự có hiệu quả thì một máy tính lượng tử cần vài nghìn qubit và có thể kết hợp chúng để thực hiện các phép tính logic”, Barbara cho biết.

Đối với hầu hết các nhà khoa học, hai hệ thống hiện nay đều mang lại các triển vọng lớn. Chúng bao gồm các qubit siêu dẫn, hoặc các vi mạch điện tử cho phép dòng điện chảy theo hai hướng tại cùng một thời điểm. “Chúng rất dễ sản xuất, nhân bản và có thể đặt trong các chip với một vài siêu dẫn qubit”, Barbara cho biết. Sự phát triển tiếp theo và cũng đầy hứa hẹn liên quan tới “các ion khí được giữ lại bởi các tia laser cực mạnh từ đó tạo ra vài phút có sự gắn kết, mặc dù các hệ thống bị hạn chế tương đối”.

Barbara thừa nhận: “Máy tính lượng tử vẫn còn một chặng đường đi dài, nhưng tôi nghĩ nó sẽ thành hiện thực chỉ trong vài thập kỷ tới”. Còn Miklos Santha, nhà nghiên cứu cũng tại LRI thì ít lạc quan hơn: “Chúng tôi rốt cuộc có thể tìm ra được thứ ngăn cản khả năng của máy tính lượng tử”.

Nếu máy tính lượng tử trở thành hiện thực thì nó sẽ vẫn không phải là máy tính cuối cùng, khi khả năng tiết kiệm thời gian của nó chỉ có thể được áp dụng để giải quyết những vấn đề đặc thù nào đó. “Trong khi máy tính lượng tử có lợi ích lớn trong việc phân tích rmột số ra thừa số thì nó kém hơn trong việc tìm kiếm các dữ liệu chưa được phân loại, hay xác định đường đi ngắn nhất trên bản đồ hoặc chơi trò chơi cờ tướng và còn nữa”, Santha lưu ý. “Máy tính lượng tử sẽ có chút ích lợi trong việc sắp xếp các kiểu dữ liệu khác, lấy ví dụ như danh sách đã được phân loại”.

Điều này có nghĩa nghiên cứu máy tính lượng tử là vô nghĩa? Rất khó để khẳng định. “Nên hay không nên xây dựng một máy tính lượng tử, nghiên cứu của chúng tôi giúp chúng tôi hiểu cách làm thế nào để kiểm soát các quy luật lượng tử và hiểu về các nguyên tắc cơ bản tốt hơn”, Barbara giải thích. Còn đối với Kempe, bà nhấn mạnh vào lợi ích của việc phát triển các thuật toán lượng tử: “Chúng đại diện cho các công cụ toán học mạnh nhất để giải quyết các câu hỏi cơ bản có liên quan đến những vấn đề phức tạp, và cũng là để nghiên cứu xem máy tính truyền thống có thể và không thể làm được gì. Cuối cùng, khi mà các thuật toán phân tích lượng tử đe doạ mã hoá cổ điển thì việc phát triển mã hoá lượng tử trở nên cần thiết và đã được sử dụng để trao đổi các dữ liệu mật”. Không ai biết liệu máy tính lượng tử sẽ thành hiện thực hay không. Nhưng điều đó không còn quan trọng nữa. Ngay cả khi không thể thành hiện thực thì máy tính lượng tử vẫn là một nguồn cảm hứng nghiên cứu vô tận, một giấc mơ muốn có được của bất kỳ nhà khoa học chân chính nào.

Theo CNRS
Minh Tâm