Tính toán lượng tử – những điều cần biết
Tại sao lại cần tính toán lượng tử?
Có lẽ tất cả những ai đam mê công nghệ, vi xử lý bán dẫn đang đi đến những giới hạn cuối cùng của nó. Tốc độ thu nhỏ transistor càng ngày càng chậm lại, quá trình chuyển đổi diễn ra lâu và khó khăn hơn, yêu cầu về sức mạnh tính toán càng ngày càng cao đặt ra nhiều câu hỏi khó giải đáp cho ngành công nghiệp bán dẫn.
Vi xử lý 2 nhân của Intel, sản xuất trên dây chuyền 45 nm có khoảng hơn 400 triệu transistor nhồi nhét trên một diện tích khoảng vài cm vuông. Và theo định luật Moore, con số này sắp được tăng gấp đôi trong một thời gian ngắn, với tiến trình 32 nm, rồi thì 22 nm… Vậy nhưng, so với tính toán lượng tử, khả năng tính toán với những vi xử lý của chúng ta ngày nay vẫn chỉ như trẻ con chơi đùa với những viên bi và hòn sỏi. Vì sao?
Tính toán lượng tử (quantum computing) là một chủ đề khá phức tạp và khó nhai, đơn giản vì nó vận dụng những kiến thức cao cấp trong vật lý, đặc biệt là cơ học lượng tử. Tuy vậy, với những đột phá gần đây trong khả năng tiếp cận nó, đã đến lúc chúng ta nên biết sơ sơ về thế giới mới mẻ này. Một ngày nào đó trong tương lai, những máy tính lượng tử sẽ đảm nhận vô số công việc khổng lồ, từ hóa giải các mã khóa, tìm kiếm trên mạng, khám phá bản đồ gene cho đến những vấn đề khổng lồ khác mà thậm chí chúng ta chưa từng nghĩ tới.
Tính toán lượng tử (quantum computing) là một chủ đề khá phức tạp và khó nhai, đơn giản vì nó vận dụng những kiến thức cao cấp trong vật lý, đặc biệt là cơ học lượng tử. Tuy vậy, với những đột phá gần đây trong khả năng tiếp cận nó, đã đến lúc chúng ta nên biết sơ sơ về thế giới mới mẻ này. Một ngày nào đó trong tương lai, những máy tính lượng tử sẽ đảm nhận vô số công việc khổng lồ, từ hóa giải các mã khóa, tìm kiếm trên mạng, khám phá bản đồ gene cho đến những vấn đề khổng lồ khác mà thậm chí chúng ta chưa từng nghĩ tới.
Vậy, tính toán lượng tử được thực hiện như thế nào?
Trước khi nói về “lượng tử”, hãy nói về phần “tính toán” trước đã. Tất cả phép tính điện toán của chúng ta hiện nay đều dựa trên bit. Đây là khối gạch nền tảng cơ bản nhất của điện toán và công nghệ thông tin ngày nay. Bit có 2 trạng thái, 0 hoặc 1, bật hoặc tắt, đúng hoặc sai,v..v.. Khi bạn gộp nhiều bit lại với nhau, khả năng thiết lập trạng thái của cả khối đó sẽ tăng lên chóng mặt, chẳng hạn với 8 bit – hay 1 byte, chúng ta có tất cả 256 trạng thái khác nhau. Và rồi cứ thế, kilobyte, megabyte xuất hiện, ngày nay đã là thời đại của gigabyte, terabyte, thậm chí là petabyte. Tất cả những gì thuộc phạm vi “digital” của bạn đều chỉ là một dãy các trạng thái 0 và 1, chia thành từng bộ 8 (byte) mà thôi. Cũng chính vì đặc tính nhị phân cố hữu này của điện toán hiện đại, máy tính của chúng ta có thể làm rất tốt một số vấn đề thông qua một loạt thiết lập logic nào đó, nhưng lại không thể làm tốt những chuyện khác, ví dụ như tìm những thừa số nguyên tố của số cực lớn – một phần quan trọng của kĩ thuật phá mã.
Tính toán lượng tử, ngược lại, dựa trên một logic khác với logic nhị phân – sử dụng quy luật của cơ học lượng tử để tính toán. Quantum bits – bit lượng tử hay còn gọi là qubits, khác với bit thường vì chúng không chỉ có 2 trạng thái. Qubits có thể có nhiều trạng thái khác nhau, hay còn gọi là siêu trạng thái – superpositions, nó có thể là 0, là 1, là 0-1 hay 0+1 hay 0 và 1, tất cả xảy ra cùng lúc. Qubit thể hiện nhiều hơn rất nhiều so với bit thông thường. Bạn có thể tưởng tượng khi chúng ta bước từ tập số tự nhiên ra tập số thực, từ những bước nhảy cách quãng về giá trị lên những bước nhảy liên tục không có giới hạn, qubit và bit cũng khác nhau như vậy, khi mà bit là 0 và 1, còn qubit là 0 và 1 và tất cả những trạng thái có thể có ở giữa 2 đầu đó. Vô số trạng thái của qubit tập hợp nên đặc tính “siêu trạng thái” của nó, từ đó mở ra cánh cửa đưa năng lực tính toán của máy móc lên đến mức siêu việt cùng khả năng xử lý song song thật sự.
Một hiện tượng khác của cơ học lượng tử được áp dụng vào tính toán, đó là “entanglement” – tạm dịch là trạng thái liên kết. Trong thế giới lượng tử, các đối tượng vật chất có một trạng thái gọi là trạng thái liên kết, nói về sự liên kết giữa nhiều cá thể lượng tử hay nhiều hệ thống với nhau. Sự liên kết này khá là khó để giải thích, vì vậy tôi đành mượn lời của Boris Blinov, một giáo sư tại đại học Washington, Mỹ để giải thích như sau:
Nếu bạn bỏ một con mèo vào một cái hộp đóng kín, sau đó “thả buồn” hay một loại khí độc nào đó vào, con mèo sẽ có thể có một trong 2 trạng thái: sống – 1, hoặc chết – 0. Cho tới khi bạn mở cái hộp ra, bạn không thể biết được con mèo sống hay chết, nói cách khác là nó đang tồn tại đồng thời cả 2 trạng thái 0 và 1, đây là siêu trạng thái (superposition). Siêu trạng thái này bị phá vỡ khi bạn mở cái hộp đóng kín đó ra.
Bây giờ xét đến tình huống bạn có 2 cái hộp kín, nhốt vào đó 2 con mèo y như nhau và “thả buồn” vào 2 cái hộp như nhau. Nếu bạn mở một chiếc hộp ra và con mèo còn sống, điều đó có nghĩa là con mèo ở hộp bên kia cũng vậy, bạn biết kết quả cho dù không cần phải mở hộp. Đó có thể coi là một mối liên kết luận lý siêu hình, gắn bó và bền chặt hơn bất cứ thứ gì bạn từng học trong vật lý phổ thông. Trạng thái liên kết – entanglement này cũng có thể áp dụng vào các thuật toán: thay đổi một phần của hệ thống, và phần còn lại cũng sẽ thay đổi theo mà không cần bất kì thao tác gì thêm. Đó là lý do tại sao tính toán lượng tử nhanh hơn rất, rất nhiều lần so với tính toán thông thường.Một hiện tượng khác, với đối tượng là 2 electron có cùng số lượng tử, 2 electron này sẽ phải có spin (chiều quay) ngược nhau. Khi tách rời 2 electron đó ra thật xa nhau và thay đổi spin của một electron, electron còn lại cũng sẽ thay đổi spin của nó mà không cần phải đo lường, tốc độ là tức thời. Theo giáo sư Blinov, khả năng này của tính toán lượng tử mang lại cho chúng ta môi trường tính toán song song thật sự với chỉ một bộ xử lý. Song song thật sự, theo nghĩa đen thui của nó, khác hoàn toàn so với kiểu “multitasking” của các hệ điều hành hay bất kì phương pháp giả song song nào trong điện toán ngày nay.
Tính toán lượng tử có ích lợi gì?
Chắc hẳn đến đây mọi người đều đã hiểu chúng ta được lợi gì chứ? Những tác vụ tính toán với thời gian thực hiện lên đến hàng trăm, hàng ngàn năm nay có thể hoàn thành chỉ trong vài phút. Cách thức chúng ta tăng tốc các bộ vi xử lý chỉ là giải quyết phần ngọn vấn đề – rút ngắn thời gian khi mà các thế hệ CPU đều vẫn tính toán tuần tự. Chuyển đổi sang tính toán song song mới thực sự là một bước tiến dài. Các hệ thống mật mã, mã hóa dữ liệu hiện nay đều cần tới hàng chục, hàng trăm năm với sức mạnh tính toán lớn nhất có thể để bị phá vỡ bằng bruteforce, trong khi với tính toán lượng tử, có thể chỉ mất vài giây! Có lẽ đây là mặt trái duy nhất của phương pháp tính toán mới, khi mà chúng ta sẽ phải thiết lập lại toàn bộ hệ thống bảo mật và mã hóa hiện nay, với những tiêu chuẩn tiên tiến hơn.
Trạng thái liên kết cũng có thể sử dụng vào việc tạo môi trường truyền dữ liệu tức thời, khi dữ liệu nơi này thay đổi thì ở nơi khác cũng sẽ thay đổi theo, cùng thời điểm đó. Ứng dụng của tính toán lượng tử gần như là vô hạn, nhất là trong các ứng dụng tính toán khoa học, sinh học, địa chất học, khí hậu học, v..v.. Không ngạc nhiên khi máy tính hiện tại của chúng ta rất tệ trong việc mô hình hóa cơ học lượng tử, lĩnh vực mà con người vẫn đang tiến những bước tiến chậm chạp và vất vả.
Chúng ta sẽ sử dụng tính toán lượng tử như thế nào?
Một đặc tính khó nhai của tính toán lượng tử mà đến bây giờ vẫn chưa giải quyết được, đó là tính cực kì “dễ vỡ” (fragile) của nó. Trạng thái của một qubit là rất không ổn định và không thể đoán trước. Dù rằng gần đây đã có một vài bước đột phá mới trong kĩ thuật tính toán lượng tử, chẳng hạn như sử dụng tia laser hay một loại LED mới từ Samsung, chắc chắn rằng bạn sẽ khó có thể đặt một chiếc máy tính lượng tử trên bàn làm việc của mình ở nhà. Một số bài viết viễn tưởng đã hình tượng hóa một chiếc máy tính nhỏ bằng bao diêm, tiêu tốn ít năng lượng hơn 100 lần và năng lực tính toán mạnh hơn gấp vài ngàn tỉ lần so với máy tính hiện nay, nhưng có lẽ điều đó sẽ không bao giờ xảy ra. Bạn cần ít nhất 10,000 qubit để có thể bruteforce các hệ thống mã hóa cao cấp, và thực sự việc thực hiện tính toán với 1 cặp qubit cũng đã đủ khó rồi!
Đích đến của tính toán lượng tử có thể sẽ là các hệ thống đám mây đang phát triển ngày nay. Khi bạn cần thực hiện một tác vụ tính toán yêu cầu năng lực lớn, hãy gọi tới số của Google và yêu cầu trợ giúp từ một trong những chiếc máy tính lượng tử trong computing center của họ chẳng hạn. Hoặc cũng có thể, tính toán lượng tử sẽ rơi vào tay chính phủ hay một tổ chức bí mật nào đó, không bao giờ được tiết lộ rộng rãi cho chúng ta. Một kịch bản khả thi khác là sự xuất hiện của vi xử lý QPU trong máy tính chúng ta, bên cạnh CPU truyền thống. Tuy rằng tính toán lượng tử rất mạnh mẽ, nhưng cũng có những bài toán dễ giải hơn rất nhiều với máy tính truyền thống hiện nay, hi vọng người anh em CPU sẽ không phải chia tay chúng ta trong một thời gian dài nữa.
Kết hợp những thứ tốt đẹp lại với nhau, đó chẳng phải điều mà con người đã làm rất tốt sao?
Nguồn: voz.vn
