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

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

Lào Cai: Tập huấn nâng chất lượng Sáng tạo trẻ
Nhằm gỡ vướng mắc và nâng cao chất lượng các đề tài sản phẩm tham gia cuộc thi sáng tạo thanh thiếu niên nhi đồng, sáng ngày 08/10, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh Lào Cai tổ chức Hội nghị tập huấn “Giải pháp nâng cao chất lượng Cuộc thi Sáng tạo thanh thiếu niên, nhi đồng tỉnh Lào Cai”.
Vận dụng tư tưởng Hồ Chí Minh về công tác thông tin khoa học và công nghệ trong kỷ nguyên vươn mình của dân tộc
Trong giai đoạn phát triển mới, khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số đang trở thành những động lực quan trọng của tăng trưởng, trong đó thông tin khoa học và công nghệ (KH&CN) ngày càng được xem là nguồn lực chiến lược. Việc vận dụng tư tưởng Hồ Chí Minh về công tác thông tin KH&CN có ý nghĩa thiết thực, góp phần xây dựng nền tảng tri thức phục vụ phát triển nhanh và bền vững.
Chủ tịch Hội đồng Lý luận Trung ương Nguyễn Xuân Thắng: Doanh nghiệp phải là chủ thể kiến tạo tăng trưởng và đổi mới mô hình kinh tế
Chủ tịch Hội đồng Lý luận Trung ương Nguyễn Xuân Thắng nhấn mạnh, đất nước đang rất cần một bước chuyển về chất sâu sắc: lớn lên bằng năng suất, mạnh lên bằng sáng tạo và đi xa bằng trách nhiệm. Trong đó, doanh nghiệp chính là lực lượng tiên phong trong sự nghiệp đổi mới...
Chủ tịch Bùi Thị Minh Hoài dự Đại hội đại biểu toàn quốc Hội Luật gia Việt Nam lần thứ XV, nhiệm kỳ 2026-2031
Sáng 7/10, tại Hà Nội, Đại hội đại biểu toàn quốc Hội Luật gia Việt Nam lần thứ XV, nhiệm kỳ 2026-2031 đã diễn ra phiên trọng thể. Bà Bùi Thị Minh Hoài - Ủy viên Bộ Chính trị, Bí thư Trung ương Đảng, Chủ tịch Ủy ban Trung ương MTTQ Việt Nam dự và phát biểu chỉ đạo tại Đại hội.
Lào Cai: Ra mắt "lá chắn số" CDSH E-learning bảo vệ thanh niên trên không gian mạng
Sáng 6/10, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh Lào Cai phối hợp cùng Trung tâm Phát triển Khoa học công nghệ và Chăm sóc sức khỏe cộng đồng (YENBAI CDSH) và Câu lạc bộ Trí thức trẻ tổ chức Sự kiện ra mắt Bộ công cụ tự học trực tuyến CDSH E-learning. Sự kiện thuộc khuôn khổ Dự án “Thanh niên trong công tác phòng ngừa rủi ro trên không gian mạng” do Liên minh Châu Âu tài trợ.
Hội nghị Trung ương 4: Phát huy sức sáng tạo con người trong giai đoạn phát triển mới
Phát biểu tại Khai mạc Hội nghị lần thứ Tư Ban Chấp hành Trung ương Đảng, khóa XIV, Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm nêu rõ, Hội nghị Trung ương lần thứ Tư vừa phải giải quyết những điều kiện để thực hiện hiệu quả các quyết sách, vừa phải chuẩn bị cơ sở lý luận, tổ chức và con người cho sự phát triển lâu dài của đất nước.