Máy tính lượng tử (TT Nano)
Máy tính lượng tử: ước mơ và hiện thực
Vật lý lượng tử được phát minh và phát triển mạnh mẽ vào nửa đầu thế kỷ 20. Đó là vật lý mô tả vận động của các đối tượng có kích thước rất nhỏ, cỡ kích thước nguyên tử và nhỏ hơn. Trong cái Thế giới lượng tử kỳ bí (NXB Trẻ, 2009) ấy, những gì quan sát được là rất khác đời thường.
Trong đời thường, lãnh địa của vật lý cổ điển, một con mèo không thể nào vừa lim dim phơi nắng trên tầng ba, lại vừa đồng thời gật gù cạnh đĩa sữa dưới tầng một. Nhưng, trong thế giới lượng tử, một electron có thể có mặt đồng thời ở nhiều nơi (với xác suất nào đó)! Máy tính về bản chất là một thiết bị xử lý thông tin. Ngoài linh kiện cấu thành, khác nhau cơ bản giữa máy tính cổ điển (đang hiện hữu) và máy tính lượng tử (ước mơ?) là ở cách thức xử lý thông tin.
Transistor lượng tử
| Siêu máy tính (thế hệ 3) dùng transistor MOSFET. |
Sớm ý thức được giới hạn dưới tất yếu của kích thước transistor loại MOSFET (linh kiện cơ bản cấu thành máy tính hiện hành), ngay từ những năm 1980 các nhà vật lý đã nỗ lực tìm kiếm các mô hình transistor kiểu mới, hoạt động dựa trên các nguyên lý của cơ học lượng tử. Nhiều mô hình khả thi đã được đề xuất và kiểm chứng trong phòng thí nghiệm. Một transistor chui ngầm cộng hưởng có kích cỡ chỉ nm, nhưng có thể thay thế vai trò của 24 transistor thông thường, mà tốc độ làm việc lại nhanh hơn nhiều. Các transistor đơn electron dựa trên chấm lượng tử (quantum dot) có thể kiểm soát dòng điện chính xác đến từng electron (một xung điện thông thường chứa hàng triệu electron). Gần đây là các transistor dựa trên các vật liệu mới như carbon nanotube hay graphene. Các transistor được đề xuất không chỉ có kích thước nhỏ hơn nhiều mà còn có các tính năng vượt trội so với các MOSFET (đa chức năng, tốc độ cao, toả nhiệt nhanh…) Tuy nhiên, để các transistor này có thể hiện diện trên thương trường thì chắc chắn còn cần không ít thời gian, công sức và tiền của.
Thông tin lượng tử
Đơn vị cơ bản của (thông tin) máy tính cổ điển là bit – đó là một hệ có thể tồn tại ở một trong hai trạng thái, biểu diễn hai giá trị logic: không hoặc có, sai hoặc đúng, hay đơn giản là 0 hoặc 1. Thông tin bất kỳ đều được biểu diễn bằng các bit dưới dạng một dãy các số 0 và 1. Quan trọng là bit cổ điển chỉ có thể hoặc là 0 hoặc là 1 (không có trung gian). Trong vật lý lượng tử thì ngược lại, một khi 0 và 1 là hai trạng thái có thể, thì tổ hợp tuyến tính (gọi là chồng chất) của chúng cũng sẽ là một trạng thái có thể. Và, như vậy, bit lượng tử (quantum bit – qubit) với ý nghĩa là một hệ hai trạng thái lượng tử, sẽ không nhất thiết chỉ hoặc 0 hoặc 1, mà có thể là vô số trạng thái khác nhận được bằng cách chồng chất hai trạng thái này. Như vậy giữa máy tính (thông tin) cổ điển và lượng tử có sự khác nhau về chất ngay ở điểm xuất phát. Chính điều này làm cho tin học đang dần trở thành một nhánh của vật lý học hơn là của toán học.
Trên mọi mong muốn
| Transistor loại MOSFET. |
Máy tính lượng tử mặc dù chưa hiện hữu, người ta tin rằng với sự trợ giúp của các linh kiện lượng tử và các algorithm lượng tử, loại máy này có sức mạnh trên mọi mong muốn. Xin kể ra hai ví dụ. Mật mã (NXB Trẻ, 2008) DES (the Data Encryption Standard) vốn có thể xem là tuyệt đối an toàn vì để giải được nó cần phải kiểm tra một danh sách rất lớn các chìa khoá mã tiềm năng. Với một máy tính cổ điển, cứ cho là mỗi giây kiểm tra được 1 triệu chìa khoá thì cũng cần 1.000 năm chạy máy liên tục mới tìm được mã mong muốn – một khoảng thời gian phi thực tiễn! Trong khi đó, một máy tính lượng tử dùng algorithm lượng tử Grover có thể dễ dàng hoàn tất việc này trong... 4 phút. Ví dụ thứ hai là về mật mã RSA (Rivest, Shamir, và Adleman) thường dùng để bảo mật ở các nhà băng. Việc giải mật mã này liên quan với phân tích ra thừa số nguyên tố một số gồm nhiều chữ số. Về mặt toán học đây là một bài toán cực nặng, chẳng hạn để phân tích một số chỉ gồm 129 chữ số thôi, thì 600 máy tính cổ điển đã phải hợp lực làm việc liên tục trong vài tháng. Thế mà, một máy tính lượng tử dùng algorithm lượng tử Shor có thể phân tích một số lớn hơn cả triệu lần trong khoảng thời gian ngắn hơn cũng cả triệu lần. Nhưng, sự kỳ ảo này lại có mặt trái: đứng trước máy tính lượng tử, mọi mật mã hiện dùng đều trở nên vô nghĩa, mọi bí mật bị phơi bày trên mạng, vận mệnh kinh tế, chính trị quân sự của các quốc gia treo trên đầu sợi tóc! May thay, chính cái bản chất “lượng tử” lại là cơ sở cho một loại mật mã hoàn toàn mới: mật mã lượng tử, một mật mã an toàn tuyệt đối và vĩnh viễn. Trong thế giới lượng tử, khi ta định đo (trộm) một trạng thái (thông tin) nào đó, thì dù muốn hay không ta cũng làm thay đổi chính trạng thái đó. Thành thử kẻ trộm chẳng những không lấy được cái mình muốn có mà chủ nhà còn biết tỏng là trộm đang thò tay vào nhà mình.
Ước mơ và hiện thực
Đã có những cơ sở để hy vọng về máy tính lượng tử, nhưng để biến hy vọng này thành hiện thực thì còn rất nhiều khó khăn. Cái khó là phải làm việc ở kích cỡ đơn nguyên tử, là ở tương tác (lượng tử) phức tạp rất khó kiểm soát giữa các qubit, là ở sự nhạy cảm đặc biệt với môi trường xung quanh. Một số cho rằng máy tính lượng tử là một ước mơ rất đẹp, nhưng sẽ chẳng bao giờ thành hiện thực. Ở đây cũng nên nhớ lại, những ý tưởng cơ bản về máy tính số hiện đại thực ra đã được Charles Babbage đề xuất từ khoảng năm 1825. Phải mất 120 năm để ý tưởng đó biến thành cái máy tính số đầu tiên, và phải thêm 40 năm nữa máy tính mới thực sự trở thành không thể thiếu trong đời thường. Liệu máy tính lượng tử có cần một khoảng thời gian như vậy?
