Tính toán lượng tử là một xu hướng công nghệ trong tương lai. Có lẽ khoảng hơn 10 năm nữa, các máy chủ, máy tính cá nhân, điện thoại di động thông minh và các thiết bị Internet of Thing đều sẽ chứa ít nhất một thành phần hoạt động với qubit – đơn vị thông tin của tính toán lượng tử. Máy tính lượng tử của Google, mua từ công ty D-Wave System, vào thời điểm hiện tại, chỉ với số lượng qubit bị giới hạn trong bộ nhớ vẫn có thể chạy nhanh hơn laptop hiện nay khoảng 100 nghìn lần, cho một số tác vụ tính toán. Tưởng tượng một ngày bạn cầm trên tay iPhone chạy chip tính toán lượng tử, nó sẽ nhanh hơn đến bao nhiêu lần so với điện thoại của bạn hiện nay.

Theo biểu đồ kỳ vọng về các công nghệ mới của Gartner – Hype Cycle, so sánh tại thời điểm năm 2009 với năm 2015, chúng ta có thể thấy rằng mặc dù tính toán lượng tử vẫn luôn được biểu diễn bằng tam giác vàng, tương ứng với công nghệ cần trên 10 năm để phát triển, nhưng đã có sự dịch chuyển lên trên dần phía đỉnh kỳ vọng.

Gartner’s Hype Cycle năm 2009
Gartner’s Hype Cycle năm 2015

Vậy tính toán lượng tử là gì?

Tính toán lượng tử là các kỹ thuật tính toán dựa trên các quy luật của cơ học lượng tử, sử dụng các hệ vật lý gọi là qubit (quantum bit). Một qubit là một hệ thống nhỏ, cỡ nanomét hoặc nhỏ hơn, tồn tại được ở 2 trạng thái lượng tử cơ bản, được đặt tên là trạng thái |0> và trạng thái |1>.

Không như bit thông thường, qubit còn tồn tại ở trạng thái là chồng chập của 2 trạng thái cơ bản, được viết một cách tổng quát bằng biểu thức toán học a|0> + b|1>, với a b là những số phức. Theo biểu thức này, một trạng thái của qubit có thể coi như một vector trong không gian vector. Trạng thái |0> và trạng thái |1> ứng với hai véc tơ cơ sở của không gian véc tơ này.

Trạng thái của qubit cũng có thể được biểu diễn như một điểm trên một mặt cầu, được gọi là mặt cầu Bloch. Trong mặt cầu Bloch, trạng thái |0> ở trên đỉnh và trạng thái |1> ở đáy, và các trạng thái khác của qubit nằm ở những điểm khác. Những điểm, hay trạng thái của qubit, có thể được đặc trưng bởi 2 góc, như được biểu diễn ở Hình 3.

Bloch sphere

Một điểm khác biệt nữa của qubit so với bit thông thường, đó là 2 qubit có thể cùng tồn tại ở một trạng thái đặc biệt gọi là “vướng víu lượng tử”. Trong trạng thái vướng víu lượng tử của 2 qubit, chúng ta không thể biểu diễn rõ ràng bằng toán học trạng thái của mỗi qubit riêng lẻ, nhưng trạng thái của cả 2 qubits thì vẫn được định nghĩa rõ ràng bằng toán học được. Nói cách khác ở trạng thái vướng víu lượng tử của 2 qubit, chúng ta không thể khẳng định được điều gì về một qubit độc lập và 2 qubit này tồn tại như một thực thể không tách rời.

Có thể chứng minh rằng bất kì một tính toán nào làm được trên máy tính thông thường thì cũng đều có thể làm được, đến độ chính xác tùy ý, bằng việc kết hợp một số phép toán cơ bản trên qubit. Một số ví dụ về các phép toán cơ bản trên qubit là xoay pha, Hadamard, và NOT được điều khiển (còn gọi là CNOT). Xoay pha, đối với qubit, ứng với quay trạng thái của qubit trên mặt cầu Bloch quanh trục thẳng đứng. Hadamard ứng với quay trạng thái của qubit trên mặt cầu Bloch quanh trục nằm ngang một góc 90 độ. CNOT, áp dụng cho 2 qubit đầu vào, sẽ “phủ định” qubit thứ 2 nếu và chỉ nếu qubit thứ nhất là |1>; ở đây phép “phủ định” đối với một qubit ứng với lật trạng thái của qubit trên mặt cầu Bloch đến vị trí đối diện qua tâm mặt cầu.

Điểm mạnh của tính toán lượng tử nằm ở chỗ, có vô vàn các kiểu tính toán thực hiện rất mất thời gian trên máy tính thông thường, nhưng lại có thể được thực hiện nhanh chóng bằng các phép toán trên qubits. Các máy móc cho phép thực hiện các phép toán trên các qubit được gọi là máy tính lượng tử.

Tại sao cần phát triển tính toán lượng tử ?

Đơn giản vì tính toán lượng tử đem đến một cuộc cách mạng về tốc độ tính toán.

Lấy ví dụ thứ nhất, nếu thực hiện một phép tìm kiếm một phần tử trong một cơ sở dữ liệu chưa được sắp xếp có N phần tử, thì mất trung bình N/2 phép tính trên máy tính truyền thống . Tuy nhiên, máy tính lượng tử chỉ cần √N phép tính khi sử dụng thuật toán lượng tử Grover. Nếu N bằng một nghìn tỷ, một máy tính lượng tử sẽ xử lí nhanh hơn máy tính thông thường một triệu lần. Có thể đó là lý do tại sao Google, công cụ tìm kiếm lớn nhất trên thế giới, lại quan tâm đến máy tính lượng tử đến vậy.

Một ví dụ khác, thuật toán mã hóa công khai có tên RSA đang được ứng dụng rộng rãi trong ngân hàng, giao dịch trực tuyến và rất nhiều ứng dụng an ninh mạng khác. Sự an toàn của RSA nằm ở chỗ máy tính truyền thống không thể phân tích nhanh một số nửa nguyên tố (semiprime) lớn n thành tích của 2 số nguyên tố lớn p và q (n = p q). RSA sẽ trở nên vô nghĩa khi máy tính lượng tử được sử dụng rộng rãi. Bởi vì để phá mã RSA, nhờ thuật toán lượng tử Shor, máy tính lượng tử chỉ cần tính log(N) phép tính, với N là số phép tính mà một máy tính truyền thống cần để phá mã RSA. Điều này bắt buộc các cường quốc quân sự lớn chạy đua tìm ra những hệ mã hóa mới để bảo mật hơn với máy tính lượng tử, đưa loài người bước vào kỷ nguyên “mã hóa hậu lượng tử” (post-quantum cryptography).

Không chỉ nhanh, máy tính lượng tử có thể làm được những điều không tưởng đối với máy tính thường. Một trong số đó là viễn tải lượng tử (quantum teleportation). Về cơ bản, thuật toán lượng tử này cho phép ta dịch chuyển, với tốc độ tiệm cận tốc độ ánh sáng, các vật thể hay đúng hơn là trạng thái của các vật thể. Trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học đã viễn tải lượng tử được hạt photon, electron đến khoảng cách cỡ hàng trăm km. Tương lai, người ta kỳ vọng có thể viễn tải các ion, nguyên tử, phân tử, và có thể trong tương lai xa là các vật thể vĩ mô.

Ai đang tham gia cuộc chơi tính toán lượng tử?

Năm 2007, tại Canada, công ty D-Wave đã công bố chiếc máy tính lượng tử đầu tiên có khả năng thương mại hóa. Các khách hàng đầu tiên  của D-Wave là Lockheed Martin và phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos. Gần đây, họ đã bắt tay với NASA, Google và một số trường đại học cũng như phòng thí nghiệm khác. Sản phẩm chính hiện nay của họ là máy tính lượng tử lên đến 1000 qubits[ii]. IBM, Intel[iii] và Microsoft[iv] cũng đang nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử. Rất nhiều trường đại học khác cũng bắt đầu có phòng nghiên cứu và nhóm nghiên cứu về tính toán lượng tử.

Cơ hội lớn cho FPT?

Còn quá sớm để nói điều này nhưng nghiên cứu tính toán lượng tử hiện nay không còn quá xa xỉ, đại học FPT cũng có một nhóm nhỏ nghiên cứu mảng này. Thực tế thì tính toán lượng tử đang là môn học bắt buộc với những sinh viên công nghệ ở đại học FPT hiện nay. Biết đâu một ngày nào đó, FPT sẽ cung cấp những thiết bị và dịch vụ lượng tử cho chính phủ, doanh nghiệp, thậm chí là cá nhân. Chúng tôi vẫn đang tiếp tục học hỏi và tìm kiếm những cơ hội mới.

Trần Thế Trung, Viện trưởng viện nghiên cứu công nghệ FPT

Tham khảo:

[i] http://www.sciencealert.com/google-s-quantum-computer-is-100-million-times-faster-than-your-laptop

[ii] http://dwavesystem.com

[iii] http://www.extremetech.com/extreme/213420-intel-to-invest-50-million-in-quantum-computer-research

[iv] https://www.microsoft.com/en-us/research/

Người dịch: Như Ngọc

Tin liên quan: