Lượng tử là một chủ đề khó hiểu. Không chỉ khó hiểu, lượng tự còn là một chủ đề kì lạ, thách thức những hiểu biết thông thường, và đề cập đến tất cả những thứ mà có thể hoàn toàn không khả thi. Máy tính lượng tử cũng vậy. Chúng cũng rối rắm và “đáng sợ” như thế. Ở thời điểm này, máy tính lượng tử vẫn còn là một chủ đề ít được đề cập tới và dường như còn khá xa lạ với nhiều người. Một chủ đề khó tới mức mà nhiều kĩ sư giỏi nhất trên thế giới đã vật lộn hàng thế kỉ để tạo ra một chiếc máy tính lượng tử đơn giản. Tuy nhiên, máy tính lượng tử hứa hẹn sẽ thay đổi thế giới, nên cũng đáng để chúng ta cất công thử tìm hiểu xem chúng hoạt động như thế nào.
Trong bài viết dưới đây, tôi sẽ cố gắng diễn giải các khái niệm cơ bản của máy tính lượng tử một cách đơn giản nhất có thể. Tuy nhiên, không phải chúng sẽ luôn đơn giản. Có những hạn chế nhất định khi giải thích những thuật ngữ. Nhưng chung quy lại, tôi sẽ cố gắng theo sát câu ngạn ngữ của Einstein: “Things should be made as simple as possible, but not simpler” – Mọi thứ nên đơn giản nhất có thể, nhưng không thể đơn giản hơn.
Máy tính lượng tử là gì?
Máy tính, như bạn đã biết, là những cỗ máy có thể tự động thực thi các thuật toán. Chúng có thể được tạo ra từ bất cứ thứ gì. Theo lý thuyết, bạn có thể tạo nên một chiếc máy tính từ nước, hay thậm chí từ hiệu ứng domino. Tuy vậy, hầu hết máy tính hiện đại ngày nay lại được tạo nên từ điện và silicon.
Trái tim của mọi chiếc máy tính là khả năng xử lý logic. Một chiếc máy tính thô sơ (tạo nên từ domino chẳng hạn) có thể có 2 đầu vào, A và B, và 1 đầu ra, X. Nếu cả 2 đầu vào có giá trị là 1, thì đầu ra sẽ là 1. Nếu tổng A và B khác 1 thì đầu ra sẽ là 0.
Ví dụ đơn giản này chính là AND Gate. Các nhà toán học đã tìm ra được một series của các Logic Gate tương tự. Các máy tính hiện đại ngày nay (không phải máy tính lượng tử) hoạt động dựa trên các Logic Gate như AND, OR, NOR, XOR…
Từ những nền tảng cơ bản này, máy tính có thể tạo nên những hệ thống logic phức tạp hơn. Một CPU Laptop tiêu chuẩn hiện nay bao gồm hàng tỷ Logic Gate. Do đó, chúng có thể tính toán hầu hết mọi thứ, từ hệ thống xe điện ngầm của thành phố cho tới trái tim của những ngôi sao.
Một khi máy tính trở nên phổ biến rộng khắp, chúng sẽ thay đổi thế giới. Cuộc sống hiện đại ngày nay được tạo nên từ khả năng thực hiện tính toán vô số các phép tính không ngừng nghỉ của máy tính. Thế nhưng, các nhà khoa học cũng nhận ra rằng, dù máy tính mạnh mẽ thế nào, chúng vẫn không thể giải quyết được một số loại tính toán.
Cụ thể, máy tính hoạt động rất kém trong việc giả lập những hiện tượng lượng tử. Theo các nghiên cứu khoa học gần đây, ở cấp độ cơ bản, tự nhiên là lượng tử. Nó vận hành một cách kì lạ, và có vẻ như rất khó để giả lập lại.
Để giả lập một nguyên tử trong một giây, một cách hoàn chỉnh, đòi hỏi những siêu máy tính khổng lồ và tốn rất nhiều thời gian. Do đó, ý tưởng giả lập những khối lượng tử phức tạp hơn, ví dụ như phân tử của một loại thuốc mới, gần như chưa thể thực hiện được ở thời điểm hiện tại.
Từ vấn đề này mà ý tưởng về máy tính lượng tử được ra đời. Chúng sẽ là những chiếc máy tính có thể giả lập lại được những hiện tượng nguyên tử. Đối với một chiếc máy tính lượng tử thực thụ, việc giả lập nguyên tử chỉ là chuyện đơn giản và chỉ mất vài giây thay vì hàng năm. Nếu điều này trở thành hiện thực, nó sẽ mở ra một kỉ nguyên mới cho các nghiên cứu khoa học.
Kể từ khi ý tưởng này ra đời, các nhà nghiên cứu đã săn lùng tìm cách tạo ra một chiếc máy tính lượng tử. Họ đã thử nhiều cách tiếp cận khác nhau. Dần dần, lĩnh vực này đã đi được những bước tiến đầu về phương thức hoạt động cơ bản của máy tính lượng tử. Vật lý lượng tử là một lĩnh vực rộng lớn, song có một khía cạnh cơ bản và quan trọng có thể giúp ta hiểu được một chiếc máy tính lượng tử sẽ hoạt động như thế nào. Đó là nguyên lý chồng chất (superposition).
Nguyên lý chồng chất (Superposition)
Tôi xin nhắc lại với bạn đọc rằng, chủ đề lượng tử là một thế giới “quái đản”. Sẽ không có chỗ cho lẽ thường trong thế giới lượng tử. Có rất nhiều điều trên thế giới mà chúng ta đã khám phá ra không thể nào giải thích nổi. Sự kì lạ của vật lý lượng tử đã gây ra nhiều khó khăn và cả sự khó chịu cho nhiều nhà vật lý học, kể cả Einstein, ông lớn trong lĩnh vực này. Nhiều nhà khoa học mong tìm được sự an ủi, khoả khuây trong những lý thuyết vật lý sâu xa hơn, một điều gì đó có thể khơi gợi một chút hiểu biết. Tuy nhiên, thật đáng buồn là cho đến nay, chúng ta gần như không thể biết được chúng sẽ trông như thế nào. Vì vậy, nếu như bạn thấy các nguyên lý dưới đây rối rắm, thì bạn nên hiểu là bạn không hề cô đơn.
Hiện tượng vật lý mà chúng ta cần tìm hiểu ở đây là nguyên lý chồng chất. Nguyên lý này cho rằng các vật thể có thể cùng một lúc ở trong nhiều trạng thái khác nhau. Ví dụ với một con mèo chẳng hạn. Trong thế giới “bình thường”, chúng ta có thể biết chắc chắn con mèo đang làm gì. Nó có thể đang nằm, đang ngủ hoặc đang bắt chuột. Dù chúng ta có nhìn nó hay không thì nó vẫn có một vị trí xác định: trên ghế, hay trong bếp, hay trong một cái hộp…
Thế nhưng, con mèo trong thế giới lượng tử không tuân theo những quy luật như vậy. Một con mèo lượng tử thực hiện mọi hành động: vẫy đuôi, ăn, ngủ, bắt chuột… cùng một lúc. Nó cũng không có một vị trí nhất định, mà có thể ở mọi chỗ, cùng một lúc. Chỉ khi chúng ta quan sát con mèo thì nó mới ở trong một trạng thái và vị trí nhất định.
Điều này nghe có vẻ hơi buồn cười. Nếu chúng ta không nhìn vào con mèo, làm sao chúng ta biết được nó đang làm gì? Vậy thì khác gì với thế giới “bình thường”? Thực ra, có một sự khác biệt quan trọng. Trong thế giới vật lý cổ điển, con mèo có một vị trí và hoạt động xác định, dù chúng ta có nhìn vào nó hay không. Nhưng trong thế giới vật lý lượng tử thì không phải như vậy.
Bạn có thể hiểu nguyên lý này như là việc biểu diễn đa thực tế vậy. Trong một thực tế, con mèo đang ngủ. Nhưng trong một thế giới (thực tế) khác, con mèo đang ăn. Ở một thế giới khác nữa, con mèo đã chết. Nhưng tất cả các thực tế này đều xảy ra cùng một lúc, và không cái nào thật hơn cái nào. Hơn nữa, tất cả các thực tế này ảnh hưởng lẫn nhau (bằng một cách nào đó), tạo ra những tương tác kỳ lạ, cho đến khi con mèo được “đo đạc” và bị ép buộc trở thành một thế giới duy nhất.
Chúng ta không thể biết được con mèo đang làm gì hay đang ở đâu khi mà chúng ta quan sát nó. Điều tốt nhất mà chúng ta có thể làm là nhìn nhận rằng, mỗi cái đều có một khả năng xảy ra. Chúng ta có thể nói, trong một nửa thời gian, con mèo được quan sát đang ngủ, một phần tư thời gian, nó đang ăn và một phần tư (thời gian) còn lại chia đều cho các khả năng khác.
Điều này thực sự kì quặc và khó hiểu. Cách thức hoạt động của nguyên lý này chưa hoàn toàn rõ ràng. Các nhà vật lý học đã đưa ra nhiều lời giải thích, từ “sự thật bị chôn giấu” cho tới “vũ trụ song song”. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa thể hiểu được, thực sự thì điều gì đang xảy ra. Nhưng rõ ràng, vật lý lượng tử không thể hoạt động nếu như điều này không đúng. Vì vậy, chúng ta không có lựa chọn nào khác hơn là chấp nhận nó đúng. Giống như những công thức Toán học hay Vật lý phổ thông mà chúng ta chỉ có thể công nhận chứ không chứng minh vậy. Dù sao, chúng ta có thể yên tâm rằng, con mèo không phải là vật thể lượng tử (chỉ là tôi lấy ví dụ cho dễ hiểu thôi). Nguyên lý chồng chất (được chúng ta cho rằng) chỉ áp dụng đối với những phần tử nhỏ, như nguyên tử chẳng hạn.
Qubits
Nguyên lý xếp chồng lượng tử có vẻ rất hữu dụng trong việc xây dựng nên một chiếc máy tính lượng tử. Để hiểu rõ tại sao, chúng ta hãy cùng nhìn lại những chiếc máy tính tiêu chuẩn. Chúng hoạt động bằng cách gửi đi các xung điện. Thông thường, máy tính sử dụng hai loại xung điện: một loại biểu hiện giá trị “1” và loại kia biểu hiện giá trị “0”. Những xung này thường được biết tới với tên gọi là các “bit” thông tin.
Máy tính sẽ điều khiển những xung này để thực hiện các phép tính toán. Như chúng ta đã đề cập ở trên, máy tính thực hiện các phép logic, nhập vào rất nhiều đầu vào và đưa ra những đầu ra xác định, dựa trên cấu trúc chương trình.
Đối với máy tính vật lý thông thường, một xung luôn biểu thị “1” hoặc “0”. Nhưng với máy tính lượng tử, mỗi xung là một sự xếp chồng của hai khả năng. Một bit thông tin lượng tử, hay còn gọi là một “qubit”, sẽ biểu thị cả 1 và 0 cùng một lúc, với những xác suất nhất định sẽ biểu thị một trong hai nếu như có ai đó kiểm tra kết quả (tương tự như ví dụ con mèo vậy).
Khi một chiếc máy tính lượng tử tính toán logic, kết quả sẽ là sự thay đổi khả năng của mỗi xác suất. Một qubit có thể tham gia vào một phép tính logic với 50% biểu thị 1 hoặc 0, và khi đưa ra kết quả sẽ là 70% khả năng sẽ biểu thị 1 và 30% biểu thị 0.
Mọi chuyện trở nên phức tạp hơn khi mà chúng ta tạo nên các hệ thống với nhiều qubit. Lúc này, chúng ta cần xem xét một hiện tượng lượng tử khác, “rối lượng tử” hay “liên đới lượng tử” (Quantum Entanglement). Khi trạng thái lượng tử của hai hay nhiều vật liên hệ với nhau, chúng có thể tạo nên một mối liên kết cực kì bền vững.
Nếu bạn liên đới hai phần tử, sau đó nhìn vào một trong hai thì bạn có thể ngay lập tức biết được thông tin về phần tử còn lại. Thậm chí dù khoảng cách giữa chúng có lên tới nhiều năm ánh sánh, thì nguyên lý này vẫn đúng, và hiệu ứng đạt được vẫn sẽ là ngay tức thì.
Ví dụ, chúng ta sẽ xem xét hai phần tử lượng tử, A và B. Cho hai phần tử này tương tác với nhau sao cho spin của chúng mắc vào nhau. Nếu spin của vật A quay xuống dưới thì spin của vật B sẽ quay lên trên, hoặc ngược lại. 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 liên đới lượng tử với nó.
Điều này vẫn đúng kể cả khi chúng ta đưa một vật lên sao Diêm Vương và để một vật lại ở Trái Đất. Tại sao chúng làm được điều này? Liệu rằng các tín hiệu giữa các phần tử này có thể đi nhanh hơn cả vận tốc ánh sáng? Chúng ta vẫn chưa thể hiểu được.
Nguyên lý vướng lượng tử giúp cho máy tính lượng tử thực hiện các phép tính phức tạp mà máy tính vật lý thông thường không thể làm được. Nó giúp máy tính lượng tử giải quyết các vấn đề chỉ trong vài giây thay vì mất hàng tỷ năm. Chúng càng chạy nhiều và liên kết được nhiều qubit thì chúng càng trở nên mạnh mẽ.
Chúng ta có thể ứng dụng máy tính lượng tử vào thế giới hiện tại như thế nào?
Hy vọng rằng bài viết này đã giúp bạn hiểu được cơ bản thế nào là máy tính lượng tử. Tất nhiên chủ đề này còn phức tạp và sâu xa hơn rất nhiều. Có lẽ lúc này bạn sẽ tự hỏi rằng: “Ý tưởng về máy tính lượng tử mang lại lợi ích cho thế giới của chúng ta như thế nào?”
Máy tính lượng tử không phải là phép màu. Chúng không làm được mọi thứ. Đơn giản là chúng mạnh mẽ hơn máy tính thông thường ở một vài khía cạnh.
Một trong số những khía cạnh thú vị nhất, ít nhất là cho tới hiện tại, là mã hoá. Phương thức mã hoá hiện đại nhất hiện nay được tạo nên từ việc nhân hai số cực lớn với nhau. Để giải mã được, ta sẽ cần đảo ngược lại quá trình để tìm ra xem đâu là hai con số rất lớn đó.
Điều đó không phải là không khả thi, nhưng nếu con số đủ lớn, sẽ mất rất nhiều thời gian. Công nghệ mã hoá tân tiến dùng những con số lớn đến nỗi các siêu máy tính sẽ phải mất hàng tỷ năm để “crack” được chúng. Máy tính lượng tử thì khác. Áp dụng nguyên lý xếp chồng và vướng lượng tử, chúng có thể thực hiện hàng triệu tính toán như thế một cách đồng thời.
Thay vì mất hàng tỷ năm, một chiếc máy tính lượng tử có thể giải mã được chỉ trong vài giây. Đây là một viễn cảnh đáng sợ. Thế giới hiện đại ngày nay hoàn toàn dựa trên các phương thức mã hoá dữ liệu. Các ngân hàng dùng chúng để bảo mật các tài khoản và giao dịch thanh toán. Các gián điệp dùng chúng để giấu bị mật khỏi chính phủ. Tiền ảo như bitcoin cũng bảo mật thanh toán blockchain với các mã code như vậy. Với sự phát triển của máy tính lượng tử, công nghệ mã hoá hiện nay sẽ không còn an toàn nữa, và có thể gây nên hỗn loạn. Tuy nhiên, có một vị cứu tinh nếu như tình thế đó xảy ra. Công nghệ lượng tử cung cấp cho chúng ta một dạng mã hoá dữ liệu siêu bảo mật. Theo các nguyên lý vật lý mà chúng ta biết, nó không bao giờ bị “crack”.
Không chỉ với mã hoá, máy tính lượng tử mang lại nhiều lợi ích khác. Chúng có thể giả lập các nguyên tử và phân tử trong nháy mắt, tạo nên đột phá trong ngành Vật lý, Hoá học và Sinh học. Chúng mang lại những công nghệ mới để nghiên cứu dữ liệu, và giải quyết hàng loạt các vấn đề Toán học.
Tuy nhiên, cũng phải nói rằng sẽ là một thách thức để có thể tạo nên một chiếc máy tính lượng tử thực thụ. Một số ông lớn trên thế giới, bao gồm IBM và Google, đã bắt đầu công cuộc xây dựng đó. Họ có thể sẽ thành công, nhưng con đường tới một tương lai “lượng tử” sẽ còn rất xa, và sẽ có rất nhiều trở ngại trên con đường đó.
Xem thêm: Đánh giá ROG Phone 5: Đã đến lúc cần “định nghĩa” lại gaming phone!
