Vật lý lượng tử là lĩnh vực khoa học vật lý của thế giới vật chất ở mức vô cùng nhỏ, thế giới của các hạt nguyên tử và hạ nguyên tử như electron, proton, neutron, quark, neutrino,...Các hạt lượng tử không tuân theo những định luật vật lý cổ điển thông thường mà dựa trên các nguyên lý vật lý lượng tử như lưỡng tính sóng-hạt, vừa có tính chất hạt lại vừa có tính chất sóng; vướng víu lượng tử (quantum entanglement), là trạng thái lượng tử của hai hay nhiều vật thể có liên hệ với nhau dù cách xa nhau, khoảng cách có thể tới nhiều năm ánh sáng; nguyên lý chồng chập (superposition), theo đó, cùng một lúc hệ lượng tử có thể đồng thời tồn tại nhiều trạng thái vật lý khác nhau; hay nguyên lý bất định là việc không bao giờ có thể xác định chính xác cả vị trí lẫn vận tốc của một hạt lượng tử cùng một lúc.
Dựa vào đặc điểm của hạt lượng tử, các nhà khoa học đang kỳ vọng sẽ nghiên cứu tạo ra những công nghệ đột phá, nhất là trong lĩnh vực công nghệ thông tin lượng tử như máy tính lượng tử, mật mã lượng tử và truyền thông lượng tử,…Và nếu máy tính lượng tử được chế tạo thành công, sẽ tạo nên cuộc cách mạng công nghệ, tương tự như những gì máy tính điện tử đã mang đến trong kỷ nguyên vừa qua.
|
Lưỡng tính sóng-hạt
|
Vướng víu lượng tử (quantum entanglement)
|
Chồng chập lượng tử (superposition)
|
Khác biệt chủ yếu giữa máy tính điện tử thông thường và máy tính lượng tử là cách thức và khả năng xử lý dữ liệu (H1). Máy tính thông thường xử lý dữ liệu dựa vào hệ cơ số nhị phân (0 và 1), đơn vị cơ bản để đo lượng thông tin là bit (Binary digit), mỗi bit chỉ có thể nhận một giá trị duy nhất tại một thời điểm. Máy tính lượng tử có đơn vị đo lượng thông tin là bit lượng tử (qubit-quantum bit), dựa theo nguyên lý chồng chập lượng tử, các qubit là có thể đồng thời là 0 và 1 nên qubit có thể có vô số giá trị trong khoảng 0-1, điều này tạo nên khả năng tính toán vô hạn của máy tính lượng tử, là nền tảng để có thể tạo ra các bộ vi xử lý nhanh hơn hàng triệu lần so với các máy tính thông thường hiện nay.
H1: bit và qubit trong máy tính
Máy tính lượng tử được chế tạo dựa trên các hạt lượng tử hai trạng thái, như electron với spin lên và spin xuống (spin up và spin down), photon với trạng thái phân cực ngang và phân cực dọc, hạt nhân nguyên tử với spin lên và spin xuống, nguyên tử với hai mức năng lượng (mức cơ bản và mức kích thích) hay mạch siêu dẫn với trạng thái lên và xuống.
Khái niệm spin (H2) được đưa ra lần đầu tiên vào năm 1925 bởi Ralph Kronig và George Unlenbeck, Samuel Goudsmit một cách độc lập. Dựa trên phát hiện electron có một loại chuyển động đặc biệt là “vừa quay và tự quay” nên chúng luôn có mô-men động lượng riêng được gọi là spin, đây là một đặc trưng nội tại của các hạt lượng tử. Spin là một khái niệm, một đại lượng vật lý lượng tử không có sự tương ứng trong vật lý cổ điển. Ý tưởng về spin ban đầu chỉ tập trung vào electron, sau đó các nhà vật lý đã mở rộng ý tưởng này với tất cả các hạt lượng tử. Theo thuyết lượng tử thì mỗi hạt lượng tử có một số trạng thái riêng, ví dụ electron với hai trạng thái riêng là spin up và spin down. Bình thường khi ở trạng thái cô lập, tức không có tác động nào từ bên ngoài, các hạt lượng tử ở trạng thái chồng chập của hai trạng thái trên: electron vừa quay sang trái vừa quay sang phải, hạt photon vừa phân cực ngang vừa phân cực dọc.
Nguồn: Study.com
Máy tính lượng tử có khả năng siêu xử lý đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu trên thế giới, có triển vọng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, tạo nên cách mạng trong đời sống con người. Nhiều công nghệ khác nhau được nghiên cứu để tạo các hệ thống tính toán lượng tử, các xu hướng nhiều triển vọng có thể kể đến như (H3):
(a) Mạch siêu dẫn (superconducting loops): qubit là các trạng thái spin của điện tử (electron) trong mạch siêu dẫn.
(b) Ion bị bẫy (trapped ions): các qubit là những ion trong chất khí bị bẫy bởi hiệu ứng laser.
(c) Chấm lượng tử (quantum dots): qubit là các trạng thái spin của các điện tử trong cặp chấm lượng tử.
(d) Khoảng trống kim cương (diamond vacancies): qubit là các trạng thái spin của điện tử quay xung quanh tâm trống nitơ trong kim cương khi bị kích thích bởi laser.
(e)Tôpô lượng tử (topological quantum): là dạng khó chế tạo do sự phức tạp của vật lý tôpô lượng tử, những phép tính thực hiện trên những bím, là những quỹ đạo của các anyon trong không/thời gian. Anyon là một giả hạt hình thành do sự tương tác của các electron, ion trong các hệ nhiều hạt. Anyon sẽ tương đối bền vững nhờ đặc trưng topo nên có thể dùng để biểu diễn qubit.
H3: Mô tả cách thức tạo ra qubit trong tính toán lượng tử
Nguồn: www.yole.fr, Quantum Technologies-Market and Technology Report; IBM.
Tính toán lượng tử được đề cập đầu tiên vào đầu thập niên 1980 bởi nhà toán học Yuri Manin và nhà vật lý học nổi tiếng Richard Feynman dựa trên nguyên lý chồng chập và vướng víu lượng tử. Năm 1982 nhà vật lý Paul Benioff đề xuất mô hình máy Turing, là một trong các mô hình lý thuyết về máy tính lượng tử. Mô hình máy tính cơ lượng tử đầu tiên được Neil Gershenfeld và Mark G. Kubinec giới thiệu vào năm 1996, có năng lực tính toán là 2 qubit, các qubit là các trạng thái spin hạt nhân của các nguyên tử thuộc phân tử chloroform. Đến nay, nhiều hệ thống tính toán lượng tử khác nhau đã được giới thiệu. Theo như loan báo của công ty Rigetti, giới công nghệ tính toán lượng tử đang chờ đợi công ty này trình làng hệ thống máy tính 128 qubit.
Công nghệ tính toán lượng tử được đánh giá là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất trong khoa học máy tính trong những năm gần đây, nhưng để máy tính lượng tử tạo nên một cuộc cách mạng thì còn rất nhiều vấn đề phải giải quyết. Có thể kể đến như:
(a) Các qubit được thực hiện nhờ những hạt lượng tử, thế giới các hạt mà con người chưa hoàn toàn kiểm soát được hành vi của chúng trong bộ vi xử lý.
(b) Trạng thái của các hạt lượng tử rất dễ bị phá vỡ khi bị nhiễu loạn trong quá trình tương tác với các linh kiện vĩ mô cấu thành máy tính, những nhiễu loạn này dẫn đến những sai số trong quá trình tính toán.
(c) Để thực hiện tính toán lượng tử, các hệ thống tính toán cần được làm lạnh xuống nhiệt độ đến âm vài trăm độ C nhằm hạn chế các nhiễu nhiệt có thể phá hủy trạng thái chồng chập và vướng víu lượng tử
Đến nay, dù đã có bước tiến dài, nhưng các hệ thống máy tính lượng tử đã được giới thiệu rộng rãi trên thế giới vẫn còn ở dạng thử nghiệm, khả năng chế tạo một máy tính lượng tử hoàn chỉnh để thương mại còn nhiều khó khăn.
Nguồn: www.yole.fr ; Quantum Technologies-Market and Technology Report.
Máy tính lượng tử được dự báo có khả năng ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau (H4). Tuy nhiên, Vadim N. Smelyanskiy, chuyên gia nghiên cứu điện toán lượng tử tại Trung tâm Nghiên cứu Ames của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA) cho rằng: "Cho dù máy tính lượng tử trong tương lai sẽ biến đổi như thế nào cũng đừng mong đợi sở hữu một sản phẩm cho riêng mình. Đây sẽ là một thiết bị chuyên dụng nhằm giải quyết các vấn đề vô cùng phức tạp và quan trọng của loài người hơn là thực hiện những việc giống như máy tính truyền thống, laptop hay iPhone. Máy tính lượng tử không phải là thứ đặt trên bàn làm việc ở mỗi gia đình trong tương lai". Do vậy, với những phép toán và luồng thông tin có dung lượng nhỏ thì sử dụng các máy tính thông thường vẫn hữu hiệu và kinh tế.
Anh Thư (CESTI)