Liên hiệp các hội khoa học và kỹ thuật Việt Nam
Thứ tư, 12/11/2008 15:22 (GMT+7)

Máy tính lượng tử Tôpô

Máy tính lượng tử đem lại hy vọng thực hiện những phép tính vô vọng đối với máy tính thông thường. Những phép tính này có ý nghĩa to lớn đối với khoa học thuộc nhiều lĩnh vực, trong đó có mật mã. Siêu lực của máy tính lượng tử nằm ở chỗ các qubit (bit lượng tử) có thể lấy bất kỳ trạng thái nào giữa 0 và 1, trong khi các bit cổ điển chỉ có thể lấy hai trạng thái là 1 và 0.

Ta có thể hình dung các trạng thái khả dĩ của qubit là các điểm trên một mặt cầu. Điểm cực Bắc là trạng thái cổ điển 1, điểm cực Nam là trạng thái cổ điển 0, các điểm còn lại trên mặt cầu vốn là những trạng thái chồng chất của 1 và 0 đều là các trạng thái khác của qubit.

Việc chế tạo những máy tính lượng tử gặp rất nhiều khó khăn. Các qubit được thực hiện nhờ những hạt lượng tử như ion, nguyên tử hoặc electron. Tuy nhiên, các trạng thái chồng chất 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. Khi các qubit không được cách ly với môi trường vĩ mô thì những nhiễu loạn như thế dẫn đến những sai số trong quá trình tính toán. Việc chế tạo máy tính lượng tử đều nhằm vào mục tiêu giảm thiểu các hệ quả gây nên bởi tương tác của qubit với môi trường. Mục tiêu đó quả thật đã làm nản chí các chuyên gia chế tạo máy tính lượng tử.

Trong thời gian gần đây, các nhà vật lý đã theo đuổi một hướng nghiên cứu khác đầy triển vọng. Trong cách tiếp cận của họ, các trạng thái lượng tử dễ bị phá vỡ của các hạt đặc biệt (anyon) trở nên phụ thuộc vào các tính chất Tôpô của hệ. Như chúng ta biết, các tính chất Tôpô không thay đổi khi hệ bị làm biến dạng bởi các tác động như bóp méo, kéo, xoắn... miễn là không cắt, không nối, không chọc thủng (hình 1).

Tương tự như vậy, ta có thể thay đổi trạng thái Tôpô của hệ quỹ đạo các hạt bởi những phép tương tự như cắt, nối... Song sự tương tác của môi trường không có những tác động mạnh mẽ như thế, nói cách khác là không đủ mạnh để làm thay đổi trạng thái Tôpô của hệ quỹ đạo các anyon. Đây là điểm mấu chốt để giảm thiểu tương tác giữa các anyon với môi trường vĩ mô của máy tính nhờ đó giảm thiểu sai số tính toán.

Hạt anyon là gì?

Hạt anyon là những chuẩn hạt (quasiparticle), nghĩa là những kích thích trong một hệ electronic hai chiều và chúng xử sự như những hạt và phản hạt năng lượngcao.

Các thí nghiệm hiện nay chứng tỏ sự tồn tại của các anyon trong những cấu trúc bán dẫn hai chiều được làm lạnh đến gần nhiệt độ không tuyệt đối và được nhúng trong từ trường mạnh.

Đối với các hạt lượng tử lúc hoán đổi vị trí của hai hạt trong hệ thì hàm sóng của hệ hoặc bị nhân với (-1) hoặc (+1). Tính chất toán học này buộc các hạt trong không gian ba chiều phải là fermion hoặc boson.

Song trong không gian hai chiều có thể tồn tại những hạt mà hệ số nhân nói trên có thể biến thiên liên tục từ (-1) đến (+1). Frank Wilczed đặt tên cho những hạt này là anyon (năm 1982). Đối với các anyon thì hệ số nhân này sẽ là một pha e i q.

Làm thế nào để tạo ra những hạt hai chiều trong khi chúng ta sống trong không gian ba chiều?Điều này các nhà vật lý đã thực hiện được. Dùng hai bản bán dẫn gallium arsenide, họ có thể tạo nên một “khí” electron hai chiều trên giao diện của hai bản đó. Đặt toàn hệ thống vào một từ trường mạnh thẳng góc ở một nhiệt độ rất thấp, người ta có thể tạo ra những hạt anyon. Năm 2005 Vladimir J. Goldman, Fernando E. Camino và Wei Zho (Đại học Stony Brook) đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng các chuẩn hạt trong hiệu ứng Hall lượng tử là những anyon! Đây là một bước cơ sở thực nghiệm quan trọng để chế tạo máy tính lượng tử Tôpô.

Nguyên lý làm việc của máy tính lượng tử Tôpô

Máy tính lượng tử Tôpô thực hiện những phép tính trên những bím, tức những dây đã được tết lại - braided string (xem hình 2). Song những dây này không phải là những dây thông thường mà là những quỹ đạo của các anyon trong không thời gian (hay nói cách khác là những đường vũ trụ của anyon). Hãy hình dung một đoạn của bím: Độ dài sẽ biểu diễn sự chuyển động của hạt trong thời gian, còn độ dày - kích thước của hạt. Các hạt ở đây sẽ là các anyon nói trên.

Trong máy tính lượng tử Tôpô, trước tiên người ta tạo ra những cặp hạt anyon và đưa chúng lên quỹ đạo. Quỹ đạo của mỗi anyon làm thành một dây, các dây này được tết với nhau thành bím theo những thứ tự nhất định và ta có những bím khác nhau. Các phép tính được thể hiện trong quá trình tạo thành các bím. Trạng thái cuối cùng của các anyon hàm chứa các kết quả tính toán được xác định bởi các bím tạo thành chứ không bởi những tương tác điện hoặc từ. Và bởi vì các bím là những thực thể Tôpô nên mọi nhiễu loạn nhỏ không thể nào thay đổi được các bím, nói cách khác các bím này được bảo vệ về mặt Tôpô đối với những tác động từ bên ngoài. Nguyên lý làm việc này của máy tính lượng tử Tôpô dựa trên các hạt anyon được đề ra năm 1997 bởi Alexei Y.Kitaev (hiện nay làm việc tại Microsoft).

Trong không gian hai chiều, kết quả hoán đổi vị trí của hai hạt phụ thuộc vào cách hoán đổi theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều. Muốn có các bím quỹ đạo ta phảithực hiện việc tết thành bím các quỹ đạo, do đó phải hoán đổi vị trí của hai hạt anyon (xem hình 3). Kết quả đánh tráo cho ta những pha e i q khác nhau.

Một điều kiện cho các hạt anyon: Các anyon phải là không abelian. Điều này có nghĩa là thứ tự khi ta hoán đổi các anyon trong quá trình tết thành bím là quan trọng. Ví dụ, nếu chúng ta có 3 anyon A, B, và C và ta hoán đổi A và B, xong hoán đổi anyon hiện nằm ở B với C chúng ta sẽ được một hệ số nhân nào đó. Song nếu trước tiên hoán đổi anyon B và C xong hoán đổi anyon nằm ở A và B mà kết quả cho ta cùng một hệ số nhân thì ta gọi A, B và C là các anyon abelian, còn ngược lại thì chúng không abelian, nói cách khác, các phép hoán đổi là giao hoán với nhau (abelian) hay không giao hoán với nhau (non abelian). Điều kiện không abelian bảo đảm rằng ta phải tết các bím quỹ đạo theo một trình tự nhất định. Các nhà vật lý cho rằng những anyon thu được trong hiệu ứng Hall lượng tử là những anyon không abelian.

Khi có những anyon không abelian, chúng ta có thể xây dựng một biểu diễn vật lý có tên là nhóm tết thành bím (braid group). Nhóm toán học này mô tả mọi cách thứckhả dĩ để tết những dây thành bím. Như vậy ứng với mỗi bím là một ma trận biến đổi phức tạp.

Chúng ta hãy so sánh các loại máy tính:

- Trong máy tính thông dụng, trạng thái của máy tính được mô tả bởi tập các bit 0 và 1.

-Trong máy tính lượng tử, trạng thái của máy tính được mô tả bởi tập các qubit (xem định nghĩa qubit ở phần đầu). Quá trình chuyển từ trạng thái đầu tiên của mọi qubit đến trạng thái cuối sẽ được mô tả bởi một ma trận tác động lên hàm sóng của các qubit.

- Trong máy tính lượng tử Tôpô thì các qubit được thực hiện nhờ các nhóm anyon. Và ma trận chuyển sẽ gắn liền với bím tạo thành sau các phép hoán đổi đối với các anyon.

Việc sử dụng các bím bảo đảm tính Tôpô của quá trình. Một điểm sau cùng cần chú ý là, máy tính lượng tử Tôpô cũng phải chịu ảnh hưởng của những thăng giáng nhiệt độ, chúng tạo nên những sai số trong quá trình tính toán. Để giảm thiểu các sai số loại này, cần tạo những quỹ đạo anyon cách đủ xa nhau để các cặp anyon ảo phát sinh vì thăng giáng nhiệt độ không tương tác đến được (xem hình 4).

Kết luận

Việc tạo nên những máy tính lượng tử sẽ giúp chúng ta tính được những bài toán mà máy tính thông thường không thể làm được. Để giảm thiểu ảnh hưởng do tương tác củacác hạt lượng tử với môi truờng vi mô của máy tính (nguyên nhân gây sai số), người ta cần chế tạo những máy tính lượng tử Tôpô.

Hiện nay, đã có những cơ sở lý thuyết và thực nghiệm vững chắc cho ý tưởng chế tạo các máy tính lượng tử Tôpô, song để chế tạo được chúng vẫn cần một thời gian nữa trong tương lai n.

______________

Tài liệu tham khảo

[1] Graham P.Collins, Scientific American, April 2006.

[2]Michael A. Nielsen & Isaac L.Chuang . Quantum computation and quantum information, Cambridge .

[3] K.A.Valiev, A.A.Kokin, Priroda, No 12, 2002.

[4] Alastair I M Rae Quantum mechanics.

[5] I.V. Bargatin, B.A. Grishanin, V.N. Zadkov, Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 7.2001.

Xem Thêm

Phát triển nhân lực trẻ cho các lĩnh vực công nghệ chiến lược
Bộ Khoa học và Công nghệ được giao nghiên cứu, đề xuất cơ chế, chính sách phát triển nhân lực trẻ chất lượng cao trong các lĩnh vực công nghệ thông tin, trí tuệ nhân tạo, hàng không vũ trụ và năng lượng nguyên tử, với thời hạn hoàn thành trong quý IV/2026.
Thúc đẩy khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức
Sáng ngày 28/7, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) đã phối hợp với Viện Khoa học và Quản lý kinh tế (IESEM) tổ chức hội thảo "Thực trạng và giải pháp thúc đẩy khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức trong bối cảnh Cách mạng công nghiệp 4.0".
Thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý năng lượng - Giải pháp then chốt giảm phát thải nhà kính
Ngày 17/12, tại phường Bà Rịa, thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM), Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Sở Công Thương TP.HCM, Trung tâm Chứng nhận Chất lượng và Phát triển Doanh nghiệp và Công ty Cổ phần Tập đoàn Vira tổ chức Hội thảo khoa học “Giải pháp thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý, sử dụng năng lượng hiệu quả nhằm giảm phát thải khí nhà kính”.
Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách
Trong hai ngày 12-13/11, tại tỉnh Cao Bằng, Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PanNature) và Liên hiệp các Hội KH&KT tỉnh Cao Bằng tổ chức Chương trình chia sẻ “Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách”.
Thúc đẩy ứng dụng thực tiễn của vật liệu tiên tiến trong sản xuất năng lượng sạch
Ngày 24/10, tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Hội Khoa học Công nghệ Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam (VNACA) tổ chức Hội thảo khoa học “Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính”.
Dựa vào thiên nhiên để phát triển bền vững vùng núi phía Bắc
Đó là chủ đề của hội thảo "Đa dạng sinh học và giải pháp dựa vào thiên nhiên cho phát triển vùng núi phía Bắc" diễn ra trong ngày 21/10, tại Thái Nguyên do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Vusta) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PANNATURE) phối hợp tổ chức.
Muốn công tác quy hoạch hiệu quả, công nghệ phải là cốt lõi
Phát triển đô thị là một quá trình, đô thị hoá là tất yếu khách quan, là một động lực quan trọng cho phát triển kinh tế - xã hội nhanh và bền vững. Trong kỷ nguyên vươn mình, quá trình đô thị hoá không thể tách rời quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước...
Hội thảo quốc tế về máy móc, năng lượng và số hóa lần đầu tiên được tổ chức tại Vĩnh Long
Ngày 20/9, tại Vĩnh Long đã diễn ra Hội thảo quốc tế về Máy móc, năng lượng và số hóa hướng đến phát triển bền vững (IMEDS 2025). Sự kiện do Hội Nghiên cứu Biên tập Công trình Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VASE) - hội thành viên của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long (VLUTE) tổ chức.

Tin mới

Tập huấn sử dụng hệ thống thông tin điều hành tác nghiệp Mặt trận Tổ quốc Việt Nam
Ngày 5/11, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) tổ chức Hội nghị Hướng dẫn sử dụng phần mềm trong quản lý và điều hành tác nghiệp văn bản đi và đến. Hội thảo nhằm nâng cao kỹ năng sử dụng, khai thác hiệu quả các chức năng của hệ thống số hóa, góp phần tích cực vào quá trình chuyển đổi số toàn diện trong công tác quản lý, điều hành và xử lý văn bản nghiệp vụ tại Cơ quan VUSTA.
Lào Cai: 52 đề tài xuất sắc sẽ được trao giải Cuộc thi lần thứ 21
Chiều 3/11, Ông Giàng Quốc Hưng - Ủy viên Ban Thường vụ Tỉnh ủy, Phó Chủ tịch UBND tỉnh, Chủ tịch Liên hiệp Hội tỉnh, Trưởng Ban Tổ chức Hội thi Sáng tạo kỹ thuật (Hội thi) và Cuộc thi Sáng tạo thanh, thiếu niên, nhi đồng tỉnh (Cuộc thi), chủ trì cuộc họp thống nhất công tác chuẩn bị tổng kết, trao giải Cuộc thi lần thứ 21 và phát động Cuộc thi lần thứ 22.
Cải cách hành chính và chuyển đổi số ở cơ sở cần thực chất hơn
Năm 2026, khi mô hình chính quyền địa phương hai cấp đi vào vận hành, cải cách hành chính và chuyển đổi số đặt ra yêu cầu cao với chính quyền cơ sở. Qua khảo sát tại phường Tuy Hòa, Cư Bao, xã Sơn Hòa, Sông Hinh, Ea Na và Yang Mao, Hội đồng tư vấn Dân chủ – Pháp luật thuộc Ủy ban MTTQ Việt Nam tỉnh Đắk Lắk ghi nhận nỗ lực của địa phương và những vấn đề cần tháo gỡ để nâng cao chất lượng phục vụ.
Tôn vinh tinh hoa đạo học, tiếp nối mạch nguồn hiền tài dân tộc
Từ ngày 5 - 15/11, thành phố Hà Nội tổ chức chuỗi hoạt động kỷ niệm 950 năm thành lập Quốc Tử Giám (1076–2026), với nhiều chương trình văn hóa, nghệ thuật, triển lãm, trải nghiệm di sản và hội thảo khoa học. Đây là dịp tôn vinh những giá trị bền vững của nền Quốc học Việt Nam, khơi dậy truyền thống hiếu học, tôn sư trọng đạo và tinh thần trọng dụng hiền tài.
Đắk Lắk: Phản biện hồ sơ Dự án nhà máy điện gió, điện mặt trời
Sáng 29/10, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh đã tổ chức Hội đồng góp ý, phản biện xã hội và phản biện khoa học đối với hồ sơ đề nghị chấp thuận chủ trương đầu tư Dự án Nhà máy điện gió E&M Đắk Lắk tại xã Ea Knốp và xã Cư Prao; Dự án Nhà máy điện mặt trời Jang Pông 2 tại xã Ea Wer.
Góp ý Luật luật An toàn, vệ sinh lao động: Lấy bảo vệ con người và quản trị rủi ro làm trung tâm
Ngày 30/10/2026, tại Hà Nội, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp Hội Khoa học Kỹ thuật An toàn Vệ sinh Lao động Việt Nam (VOSHA) tổ chức Hội thảo "Góp ý dự thảo Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của Luật An toàn, vệ sinh lao động". Hội thảo do PGS.TS Phạm Ngọc Linh, Phó Chủ tịch VUSTA và GS.TS Lê Vân Trình, Chủ tịch VOSHA đồng chủ trì.
VUSTA công bố các quyết định điều động, bổ nhiệm cán bộ chủ chốt
Ngày 30/10/2026, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) đã trang trọng tổ chức Hội nghị công bố các quyết định quan trọng về công tác cán bộ. Lãnh đạo VUSTA đã trao quyết định nghỉ hưu hưởng chế độ cho 02 cán bộ, chuyên viên, đồng thời trao các quyết định điều động, bổ nhiệm cán bộ chủ chốt nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển trong giai đoạn mới.
Liên hiệp Hội Việt Nam hưởng ứng tháng “Vì người nghèo”
Sáng 27/10, tại Hội trường xã Quốc Oai, Khối thi đua các tổ chức thuộc lĩnh vực Khoa học - Kinh tế - Pháp luật - Giáo dục - Đối ngoại thuộc Ủy ban Trung ương Mặt trận Tổ quốc Việt Nam phối hợp với Ủy ban MTTQ Việt Nam thành phố Hà Nội, Hội Luật gia thành phố Hà Nội và xã Quốc Oai tổ chức Hội nghị “Nghe dân nói, nói dân nghe” và thực hiện Tháng cao điểm vì người nghèo 2026.
Thủ tướng mong muốn đối tác quốc tế không chỉ đầu tư, sản xuất tại Việt Nam mà cùng kiến tạo chuỗi giá trị mới
Phát biểu tại Diễn đàn Kinh tế mùa Thu 2026, Thủ tướng Lê Minh Hưng khẳng định Việt Nam mong muốn các đối tác quốc tế không chỉ đầu tư, sản xuất tại Việt Nam mà cùng nghiên cứu, phát triển công nghệ, đổi mới sáng tạo và kiến tạo những chuỗi giá trị mới.
Tạo động lực tăng trưởng xanh từ khoa học, công nghệ
Chính phủ Việt Nam nhiều lần khẳng định quan điểm "không đánh đổi môi trường lấy tăng trưởng kinh tế". Trong bối cảnh đó, việc giải quyết hài hòa mối quan hệ giữa yêu cầu tăng trưởng nhanh và bảo vệ môi trường, ứng phó với biến đổi khí hậu thông qua các giải pháp khoa học, công nghệ đang trở thành yêu cầu cấp thiết hiện nay.