Báo cáo ứng dụng máy tính lượng tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
KHOA KĨ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG

CÁC ỨNG DỤNG CỦA CƠ HỌC LƯỢNG
TỬ: MÁY TÍNH LƯỢNG TỬ
Thứ 2, Lớp HC13HC11, Tiết 1-2, Nhóm 2
Danh sách nhóm
1.
2.
3.
4.
5.
6.

Võ Thị Cẩm Tú
Trần Khả Tú
Phạm Việt Trang
Nguyễn Thị Ngọc Trâm
Tô Ngọc Viên
Kean Kida

61304676
61304668
61304245
61304275
61304805
61305024

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 05 – 2014

Lời nói đầu
Nền văn minh được nâng cao cùng với việc con người phát hiện ra
những cách thức mới để khai thác các nguồn tài nguyên vật lý khác nhau như
vật liệu, năng lượng … cường độ làm việc của con người ngày càng tăng và
cần các công cụ hỗ trợ với tốc độ xử lí nhanh chóng, cùng với đó là sự phát
triển vượt bậc của khoa học đã có nhiều ứng dụng trong đời sống ,đặc biệt
phải kể đến cơ học lượng tử. Một trong những dấu ấn quan trọng của cơ học
lượng tử là giải Nobel năm 2012 của hai nhà khoa học Serge Haroche - người
Pháp và David Wineland - người Mỹ đã cùng đạt giải Nobel Vật lý năm
2012. Hai nhà khoa học này đã phát minh ra phương pháp nghiên cứu các
tính chất của thế giới lượng tử. Từ nghiên cứu này mở ra một triển vọng mới
trong việc chế tạo các máy tính có tốc độ siêu nhanh.Và để phục vụ cho nhu
cầu làm việc đòi hỏi tốc độ xử lý của máy tính ngày càng cao của con người
các nhà khoa học đã vận dụng cơ học lượng tử từ nghiên cứu của hai nhà
khoa học này và chế tạo ra một loại máy tính có khả năng xử lý tốc độ cực
cao.
Vì vậy nhóm chúng tôi làm bài báo cáo này nhằm giúp các bạn hiểu rõ
hơn về máy tính lượng tử, nguyên lí làm việc cũng như cấu tạo của nó, những
ưu điểm vượt trội của máy tính lượng tử so với máy điện tử. Qua bài báo cáo
này, chúng tôi mong muốn bạn đọc sẽ có thêm nhiều kiến thức bổ ích cho
mình về máy tính lượng tử.
Tuy nhiên bài báo cáo vẫn còn nhiều thiếu sót. Rất mong nhận được
những ý kiến đóng góp của các bạn để bài báo cáo được hoàn thiện hơn.
Trân trọng cảm ơn!

2




MỤC LỤC

A - NỘI DUNG....................................................................................................3

A - NỘI DUNG
1. Lịch sử phát triển của máy tính lượng tử
- Trong lịch sử phát triển của máy tính, từ những chiếc máy tính đầu tiên
vận hành bằng các cơ cấu cơ học, đến máy tính điện tử và có thể trong tương
lai là máy tính quang, tất cả đều hoạt động trên cùng một nền tảng toán học là
cỗ máy Turing. Tuy nhiên, máy Turing không phải là nguyên lý duy nhất cho
phép tạo ra một máy tính.
- Máy tính lượng tử bắt đầu từ một ý tưởng giản đơn xuất hiện vào những
năm 1980 do Richard Feynman, một nhà vật lý học, khởi xướng. Theo Julia
Kempe: “Feynman giải thích rằng, máy tính lượng tử có khả năng tính toán các
thuộc tính của hạt lượng tử, như electron, nhanh hơn rất nhiều so với máy tính
truyền thống. Mỗi electron có thể được mã hoá trong một qubit, trong khi phải
cần đến một số lượng lớn các bit truyền thống để mã hoá nhiều trạng thái khác
nhau trong cùng một thời điểm. Nhưng đây vẫn chỉ là trên ý tưởng”.
- Vào năm 1985, David Deutsh đã chứng minh được rằng nếu hai trạng
thái của hệ thống có thể cùng được thực hiện bằng tổ hợp những toán tử đơn
3


giản, bất kì sự phát triển nào cũng có thể được tạo ra để mô phỏng một hệ
thống vật lý bất kỳ, và nơi mà các toán tử này đến thì được gọi là cổng lượng
tử và giống như là một hàm số tương tự như hệ nhị phân trong máy tính thông
thường. Vào năm 1994, Peter Shor đã đưa ra thuật toán Shork, đây là một
phương pháp sử dụng sự chồng chất của các qubit để phân tích một số ra các
thừa số nguyên.

- Vào năm 1995 viện National Institute of Standards và Technology và the
California Institute of Technology đã cùng nghiên cứu về vấn đề che chắn một
hệ lượng tử dưới tác động của môi trường. Từ năm 1996 tới nay một nhóm
nghiên cứu bao gồm Đại học California tại Berkeley, MIT, Đại học Harvard và
các nhà nghiên cứu của IBM đã theo đuổi một kỹ thuật tương tự, nhưng bằng
cách sử dụng cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), đây là một công nghệ mà dường
như mọi thao tác thông tin đều được thực hiện trong chất lỏng.
- Năm 1997, Lov Grover, một nhà nghiên cứu tại AT&T, chứng minh rằng
một máy tính sử dụng qubit có thể nâng cao đáng kể hiệu quả của các thuật
toán nhằm mục đích tìm kiếm thông tin trong cơ sở dữ liệu.
- Vào năm 1998, dựa vào ý tưởng năm 1993 về tính khả thi trong việc
truyền tải lớn của qubit được đề bởi một nhóm các nhà nghiên cứu mà kết luận
của họ dựa trên một định lý của cơ học lượng tử gọi là hiệu ứng EinsteinPodolsky-Rosen, định lý này mô tả làm thế nào để hai hạt có thể tiếp xúc với
nhau để trở nên bị “vướng”.
- Mặc dù tại thời điểm đó các nhà toán học và vật lý học đã nỗ lực để
chứng minh lợi ích của máy tính lượng tử nhưng chúng vẫn còn quá xa vời.
Trên thực tế, cho đến nay, không ai biết chính xác một qubit sẽ được làm từ
nguyên tử, ion, phân tử, electron hay mạch siêu dẫn
- Đối với các nhà vật lý , việc chế tạo ra các máy tính lượng tử có thể sử
dung được vẫn còn rất xa vời. Giờ đây, họ đang cố gắng hết sức mình vượt qua
khó khăn tiềm ẩn trên con đường đi đến máy tính lượng tử.

2. Máy tính lượng tử là gì?

4


Hình 2.1 Bản thiết kế một máy tính lượng tử 16 qubit
- Máy tính lượng tử (hay còn gọi là Quantum computer) là hệ thống có thể
thực thi vô số phép tính phức tạp cùng một lúc mà một máy tính thông thường

có thể phải mất hàng triệu năm mới xong.
- Máy tính lượng tử là một máy tính cực nhanh có thể giải mật mã, đưa ra
các dự báo thời tiết sớm, hay đánh bại một đại kiện tướng cờ vua chỉ trong một
giây.
- Là một thiết bị tính toán sử dụng trực tiếp các hiệu ứng của cơ học lượng
tử như tính chồng chập và vướng víu lượng tử để thực hiện các phép toán trên
dữ liệu đưa vào.
- Ngày nay, nếu máy tính lượng tử vẫn được coi là khoa học viễn tưởng thì
nó cũng không thể ngăn cản các nhà toán học và vật lý học nghiên cứu phác
thảo các nét chính về hoạt động của một máy tính lượng tử.

3. Phân loại và cấu tạo của máy tính lượng tử
- Có 4 loại:
+ Máy tính lượng tử chất khí.
+ Máy tính lượng tử chất lỏng.
+ Máy tính lượng tử chất rắn (bán dẫn).
+ Máy tính lượng tử từ cặp chấm lượng tử.

3.1

Máy tính lượng tử chất khí

- Đây là máy tính lượng tử bẫy ion sử dụng laser do Cirac và Zoller đưa ra
vào năm 1995. Trong máy tính lượng tử này, qubit là các ion trong một chất
khí đơn lẻ bị bẫy bởi hiệu ứng làm lạnh bằng laser. Sự truyền tải thông tin
thông qua tương tác Coulomb giữa các ion và sự trao đổi photon giữa các kích
thích tập thể. Các thao tác được thực hiện thông qua một laser xung cộng
hưởng Rabi. (Hình 3.1)
5

Hình 3.1: Mô hình máy tính lượng tử chất khí:máy tính lượng tủ bẫy ion sử
dụng laser(Sacket et al, 2000)

3.2

Máy tính lượng tử chất lỏng

- Là máy tính lượng tử cộng hưởng từ hạt nhân sử dụng sự xoay quanh hạt
nhân của các phân tử trong một chất lỏng làm qubit, từng phân tử sẽ là một
máy tính lượng tử đơn lẻ, các thao tác được thực hiện qua kỹ thuật cộng hưởng
từ hạt nhân (dao động Rabi). Sự truyền tải thông tin thông qua tương tác xoay.

Hình 3.2.Mô hình máy tính lượng tử chất lỏng: máy tính lượng tử cộng hưởng
từ hạt nhân(Cory et al, 2000) và một số loại phân tử hữu cơ được dùng.
- Trong hình 3.2 là mẫu máy tính lượng tử cộng hưởng từ hạt nhân, với các
phân tử ở trong chất lỏng của bình ở chính giữa, đặt trong từ trường mạnh.

3.3

Máy tính lượng tử chất rắn (bán dẫn)

- Được nhiều nhóm tập trung nghiên cứu với hy vọng sẽ sử dụng được các
thành tựu của nền công nghiệp bán dẫn hiện nay và công nghệ nano trong
6


tương lai gần: Barenco - Deutsch (1995), Los - Divincenzo (1998), Kane
(1998). Có hai loại máy tính lượng tử bán dẫn chính sử dụng sự xoay của điện
tử hoặc phân cực của photon.

• Máy tính lượng tử bán dẫn xoay (spin): các qubit là các trạng thái
xoay của điện tử.
• Máy tính lượng tử bán dẫn quang: sử dụng các trạng thái phân cực
của photon làm qubit.
- Trong hình 3 là mô hình máy tính lượng tử bán dẫn sử dụng tính năng
xoay của điện tử donor P (Dzurak et al, 2003) đặt trong từ trường mạnh hai
Tesla với các cổng điện áp A và J.

Hình 3.3.Mô hình máy tính lượng tử chất rắn(bán dẫn) : sử dụng tính năng
xoay của điện tử donor P.

3.4

Máy tính lượng tử từ cặp chấm lượng tử

- Máy tính lượng tử này dựa trên công nghệ Si, Ge và GaAs đã và đang là
nền tảng của công nghiệp điện tử - viễn thông hiện đại: sử dụng tính chất xoay
của các điện tử trong cặp chấm lượng tử. Đây cũng chính là một ứng dụng của
công nghệ mới spin tử (spintronics). Mẫu thiết kế (Friesen et al, 2003) diễn tả
trên hình 3.4 được chế tạo bằng các công nghệ đang có hiện nay.

7


Hình 3.4 Mẫu máy tính lượng tử từ cặp chấm lượng tử.
a) Cấu trúc máy tính lượng tử từ cặp chấm lượng tử: ở chính giữa là một
giếng lượng tử, tiếp hai bên là lớp rào thông hầm lượng tử, mặt trên khắc
theo thiết kế.
b) Các cổng ở mặt trên của máy tính lượng tử với một dãy chấm lượng tử,
các chấm lượng tử được đặt ở các khe đánh dấu bằng các chữ thập X.

- Lớp ở giữa là một giếng lượng tử dày 6 nm giam cầm điện tử theo chiều
thẳng đứng được làm từ bán dẫn Si không pha tạp, hai rào thế hai bên dày 10
nm (dưới) và 20 nm (trên) được làm từ bán dẫn không pha tạp cho chiều cao
rào thế tương ứng. Cổng dưới được làm từ bán dẫn pha tạp, cổng trên làm từ
kim loại được khắc chia thành các ô. Các chấm lượng tử sẽ được đặt ở các khe
như trên hình vẽ. Tùy theo các điện áp đặt vào cổng trên mà, hai điện tử sẽ tách
ra xa nhau hoặc xích lại gần nhau.

4. Nguyên lý hoạt động của máy tính lượng tử
- Máy tính lượng tử sử dụng tính chất spin đại diện cho các bit lượng tử.
- Nguyên lý hoạt động của máy tính lượng tử hiện đại hoàn toàn nằm trên
lý thuyết ứng dụng cơ học lượng tử. Trong máy tính lượng tử, dữ liệu không
được xử lý bởi các electron đi qua transistor nữa, mà xử lý bởi các nguyên tử
được "giam giữ" với tên gọi là quantum bit hay Qubits.
- Trong máy tính lượng tử, người ta sẽ tạo ra cặp anyon và đưa chúng lên
quỹ đạo. Quỹ đạo của mỗi anyon tạo thành một dây và các dây này được kết lại
với nhau theo những thứ tự nhất định. Điều kiện các hạt anyon này phải là nonabelian.
- Điều này có nghĩa là thứ tự khi ta hoán đổi các anyon rất quan trọng, các
phép hoán đổi là giao hoán với nhau (abelian) hay không giao hoán với nhau
(non-abelian).

4.1

Hạt Anyon
8


- Tính chất hoán đổi vị trí hai hạt trong hệ sẽ dẫn tới hàm sóng của hệ sẽ bị
nhân cho .
- Nghĩa là:

. Trong không gian 3 chiều: Hệ số nhân sẽ là

• Với
: hạt này được gọi là Bosson.
• Với
: hạt này được gọi là Fermisons.
• Với
: với v là véctơ hạt này được gọi là anyon.
- Trong không gian 2 chiều tồn tại hạt mà hệ số nhân biến thiên liên tục từ
-1 tới 1. Hạt này được gọi là hạt Anyon.

4.2

Thông tin về Qubit:

- Máy tính lượng tử thực hiện hoạt động với qubit (quantum bit, hay còn

gọi là bit lượng tử) thay vì các bit nhị phân như máy tính vốn dựa trên các bóng
bán dẫn. Qubit mở ra tiềm năng cho máy tính lượng tử thông qua các thuật toán
phức tạp và thực hiện các phép tính nhanh hơn nhiều so với các hệ thống hiện
có.
- Bit là đơn vị thông tin cơ bản trong công nghệ truyền thông tin hiện nay.
Mỗi bit chỉ có thể mang giá trị là 0 hay 1 dựa vào các tín hiệu điện: không hoặc
có.

-

Hình 4.1 Bit lượng tử
- Qubit cũng có một vài thuộc tính như thế nhưng nhìn chung về toàn diện
thì khác. Các khác biệt này giúp cho qubit có một khả năng vượt trội.

- Một qubit hay bit lượng tử, là một đơn vị của thông tin lượng tử. Thông
tin đó miêu tả một hệ cơ học lượng tử có hai trạng thái cơ bản, thường được ký
hiệu |0> và |1>.
9


- Một trạng thái qubit thuần túy là chồng chập lượng tử tuyến tính của hai
trạng thái cơ bản trên. Điều này khác với bit của thông tin cổ điển, chỉ nhận
một trong hai giá trị 0 hoặc 1.

4.3
Các trạng thái của qubit - khả năng mang
thông tin vô hạn
- Các trạng thái của Qubit được xác định dựa vào 2 trạng thái cơ bản đó là
|0> và |1>. Như đã nói, khác với bit cổ điển, Qubit không chỉ nhận các giá trị
ứng với các trạng thái đó mà nó còn nhận giá trị chồng chập là sự tổ hợp tuyến
tính của 2 trạng thái đó:
|P> = a|0> + b|1>
Với a, b là các hằng số tỉ lệ với cường độ của trạng thái tổ hợp ứng với
trạng thái cơ bản tương ứng.
Chú ý rằng, theo điền kiện chuẩn hóa, ta có |a|2 + |b|2 = 1.

Hình 4.3 Mặt cầu Block

- Theo hệ thức đó, ta thấy rằng, không gian trạng thái tổ hợp |P> của một
đơn qubit về phương diện hình học được biểu diễn trên một mặt cầu, gọi là mặt
cầu Block. Đây là một không gian 2 chiều.
- Như vậy, về bản chất, mỗi điểm trên mặt cầu biểu diễn cho một trạng thái
của qubit. Mặt cầu thì có vô hạn điểm, do đó, ta thấy ngay khả năng biểu diễn
thông tin lượng tử lên đến vô hạn chứ không phải chỉ là 0 hoặc 1 như bit cổ

10


điển. Trong khi đó, xét theo mô hình này, bit cổ điển chỉ có thể là một điểm
nằm trên cực của mặt cầu này thôi.

4.4

Trao đổi thông tin lượng tử giữa các Qubit

- Chúng ta biết mỗi qubit đều mang thông tin lượng tử. Thông tin phải
được trao đổi qua lại giữa các qubit và một trong các lĩnh vực mới là tìm hiểu
cơ chế trao đổi thông tin giữa các qubit và cách xử lý thông tin thu được.
- Thông tin máy tính lượng tử cũng có thể được biểu diễn như là sự chồng
chất lượng tử đồng thời của cả hai mã 0 hoặc 1 (bit lượng tử hay “qubit”).
Trong thời gian thực hiện chồng chất, các qubit tương tác và tính toán với các
qubit khác thông qua các lượng tử thành phần xung quan. Cuối cùng, mỗi qubit
sẽ thực hiện phân biệt lượng tử và chọn các mã 0 hoặc 1 như là hình thức làm
việc cổ điển của nó.
- Trạng thái chồng chất lượng tử là một yếu tố lượng tử sẽ chỉ trả về một
kết quả trong một tiêu chuẩn khi được đo lường. Tiếp theo là một nguyên tắc
về “vướng víu lượng tử”, nó được hiểu như là một quá trình tương đối phức
tạp, nói lên sự tương tác của các điện tử, phân tử, các photon và các hạt khác:
“Vướng víu lượng tử được xem như là một sự tương quan của các trạng thái
qubit khác nhau với nhau. Khi chúng ta thực hiện các hoạt động và các phép đo
trên một qubit và vướng mắc với qubit khác, chúng sẽ tự động tìm hiểu và thay
đổi trạng thái của các đối tác. Điều này sẽ cung cấp một loại giao thức song
song, gần như cho phép một hệ thống lượng tử có thể thực hiện một số tính
toán nhanh hơn so với một hệ thống máy tính cổ điển”.
- Tính chất "song song lượng tử" trên này là thế mạnh cơ bản của máy tính

lượng tử.
- Thuật toán được sử dụng để chạy các qubit giống như thuật toán mà
Simon đưa ra, được cho là nhanh hơn bất cứ điều gì so với một máy tính dựa
trên bóng bán dẫn để thực hiện thuật toán. Mặc dù Wikipedia cho rằng, một
máy tính lượng tử sử dụng thuật toán lượng tử có thể thực hiện những công
việc hiện tại của máy tính, nhưng về mặt lý thuyết thì sẽ không bao giờ có khả
năng như vậy.

11


Hình 4.4a
- Theo phân tích của Ars Technica cho biết: “Các máy tính lượng tử là khá
đơn giản, hai qubit đăng ký thực hiện từ SQUID (được hiểu như là một thiết bị
giao thoa lượng tử siêu dẫn), hai SQUID có thể bổ sung cho các hoạt động
không đăng ký trước (chẳng hạn như hoạt động đọc/xuất) và kết hợp với hiện
tượng cộng hưởng sóng nhằm tạo ra sản phẩm như là một bộ nhớ. Tuy nhiên,
phần quan trọng nhất đó là băng thông bus cho các cặp qubit giao tiếp với
nhau, thực hiện các hoạt động logic khác nhau. Các bộ cộng hưởng có hình học
cố định và chỉ có thể cộng hưởng ở một tần số sóng. Vì vậy, bộ nhớ có thể
được điều dọc hoặc bằng văn bản thông qua các thay đổi từ trường để nó giống
như là một hiện tượng cộng hưởng. Do đó có thể hiểu rằng hoạt động giữa các
qubit được thực hiện bằng cách áp dụng các công nghệ vi sóng dựa trên công
nghệ bus trang bị sẵn bên trong”.
- Cuối cùng, khi chấm dứt hợp các thuật toán, kết quả cần phải được đọc
ra. Trong trường hợp của một máy tính cổ điển, lấy mẫu từ phân bố xác suất
trên sổ đăng ký bit để có được một chuỗi bit xác định. Quantum máy móc, đo
lường trạng thái qubit, tương đương với sụp đổ các lượng tử nhà nước xuống
đến một phân phối cổ điển (với các hệ số trong trạng thái cổ điển là độ lớn
bình phương của hệ số của các trạng thái lượng tử), tiếp theo là lấy mẫu từ

phân phối. Lưu ý rằng điều này phá hủy các trạng thái lượng tử ban đầu.
Nhiều thuật toán sẽ chỉ cung cấp cho câu trả lời chính xác với một xác suất
nhất định. Tuy nhiên, bằng cách liên tục khởi tạo, chạy và đo lường máy tính
lượng tử, xác suất nhận được câu trả lời chính xác có thể được tăng lên.
12


Hình 4.4b

Một máy tính lượng tử qubit có khả năng chỉ một trạng thái làm việc trong 400
nano giây. Đó là 400 giây hoạt động không chính xác, đủ để thay thế cho các
máy tính như hiện đang sử dụng. Mặc dù có nhiều cách để kéo dài thời gian hệ
thống máy tính hiện tại, nhưng dựa vào một công nghệ lượng tử có sẵn, đó sẽ là
một đại diện ưu tú trong tương lai.

5. Ứng dụng của máy tính lượng tử
5.1

Mật mã và thuật toán của Peter Shor

- Năm 1994 , Peter Shor ( Phòng thí nghiệm Bell ) phát hiện ra các thuật
toán lượng tử đầu tiên , về nguyên tắc , có thể thực hiện một thừa hiệu quả .
Điều này đã trở thành một ứng dụng phức tạp mà chỉ có một máy tính lượng tử
có thể làm. Bao thanh toán là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong
mật mã . Ví dụ, sự an toàn của RSA ( hệ thống an ninh ngân hàng điện tử ) mật mã khóa công khai - phụ thuộc vào thanh toán và đó là một vấn đề lớn. Vì
nhiều tính năng hữu ích của máy tính lượng tử , các nhà khoa học đặt nhiều nỗ
lực để xây dựng nó . Tuy nhiên , phá vỡ bất kỳ loại mã hóa hiện tại mà mất gần
thế kỷ trên các máy tính hiện tại , chỉ có thể mất một vài năm trên máy tính
lượng tử ( Maney , 1998).

5.2

Trí tuệ nhân tạo

- Nó đã được đề cập rằng máy tính lượng tử sẽ nhanh hơn nhiều và do đó

sẽ thực hiện một số lượng lớn các hoạt động trong một khoảng thời gian rất
ngắn . Ở phía bên kia , tăng tốc độ hoạt động sẽ giúp máy tính để học nhanh
hơn thậm chí bằng cách sử dụng một trong những phương pháp đơn giản sai
lầm ràng buộc mô hình cho việc học tập .
13


5.3

Ứng dụng khác

- Hiệu suất cao sẽ cho phép chúng tôi phát triển các thuật toán phức tạp
nén, nhận dạng giọng nói và hình ảnh, mô phỏng phân tử, ngẫu nhiên đúng sự
thật và truyền thông lượng tử. Ngẫu nhiên là rất quan trọng trong mô phỏng .
Mô phỏng phân tử rất quan trọng cho việc phát triển các ứng dụng mô phỏng
cho hóa học và sinh học. Với sự giúp đỡ của truyền thông lượng tử cả người
nhận và người gửi sẽ được thông báo khi một kẻ nghe trộm cố gắng để bắt tín
hiệu . Các bit lượng tử cũng cho phép nhiều thông tin được truyền đạt cho mỗi
bit . Máy tính lượng tử làm cho giao tiếp an toàn hơn.

6. Ưu điểm và nhược điểm của máy tính lượng tử
6.1

Ưu điểm

- Máy tính lượng tử sẽ có thể thực hiện bất kỳ nhiệm vụ mà một máy tính
cổ điển có thể làm. Nếu chúng ta sử dụng các thuật toán cổ điển trên một máy
tính lượng tử, nó sẽ chỉ đơn giản là thực hiện các tính toán một cách tương tự
như một máy tính cổ điển.
- Máy tính lượng tử quy mô lớn sẽ có khả năng giải được các vấn đề phức
tạp một cách nhanh hơn bất kỳ một máy tính cổ điển sử dụng các thuật toán tốt
nhất hiện nay, như thuật toán Shor để phân tích số tự nhiên thành tích các số
nguyên tố, hoặc mô phỏng hệ lượng tử nhiều hạt. Cũng có những thuật toán
lượng tử, như thuật toán Simon, cho phép máy tính hoạt động nhanh hơn bất
kỳ một máy tính dựa trên thuật toán xác suất cổ điển.

14


-

Hình 6.1 Máy tính lượng tử
- Có khả năng ứng dụng thực tế.
- Được sử dụng trong các ngành khoa học cần độ xử lý cao và tốc độ lớn,
dữ liệu nhiều như: trung tâm khí tượng thủy văn,y khoa,…
- Được sử dụng vào các dòng sản phẩm điện tử.
- Hắc cơ sử dụng để bẻ khóa bảo mật.
- Trên máy tính lượng tử có thể thực hiện cùng một lúc một phép tính lên
vô vàn các giá trị đầu vào khác nhau, tức là thực hiện tính toán song song, thay
vì làm tuần tự từng phép tính như vậy cho từng đầu vào như ở máy tính truyền
thống.
- Sự phát triển của "máy tính lượng tử" dựa trên vật liệu silicon có thể sẽ
không còn là giấc mơ. Giáo sư Murdin cho rằng: "Máy tính lượng tử có thể
giải quyết một số vấn đề hiệu quả hơn nhiều so với máy tính thông thường và

chúng đặc biệt hữu ích cho an ninh bởi vì họ có thể nhanh chóng giải mã số
hiện có và tạo ra các mã không thể giải”.

6.2

Nhược điểm

- Hạn chế chính của máy tính lượng tử là giống như sức mạnh của nó:
decoherence lượng tử. Các tính toán được thực hiện trong khi qubit hàm sóng
lượng tử là ở trong trạng thái chồng chất, đó là những gì cho phép nó để thực
hiện các tính toán sử dụng cả 1 & 0 cùng một lúc.
- Khi một phép đo của bất kỳ loại được thực hiện cho một hệ thống lượng
tử, decoherence hỏng và hàm sóng sụp đổ vào một trạng thái duy nhất. Do đó,
máy tính phải bằng cách nào đó tiếp tục thực hiện những tính toán này thực
hiện cho đến khi thời điểm thích hợp, khi đó có thể thả ra khỏi trạng thái lượng
15


tử, có một đo lường thực hiện để đọc kết quả của nó, mà sau đó được chuyển
cho phần còn lại của hệ thống.
- Khó tách tín hiệu khỏi nhiễu khi có nhiệt độ cao.
- Khó điều khiển.
- Công nghệ cần thiết để xây dựng một máy tính lượng tử hiện đang vượt
quá tầm tay của con người. Điều này thực tế là do các nhà sản xuất, cơ bản là
do hoạt động của máy tính lượng tử, bị phá hủy ngay sau khi hoạt động, chịu
ảnh hưởng bởi môi trường . Nỗ lực đấu tranh chống vấn đề này đã không mấy
thành công, một số vấn đề mã hóa cũng gặp phải nhiều khó khăn chủ yếu là tất
cả các thuật toán mã hóa - giải mã.

7. Mở rộng

- Tìm hiểu về máy tính lượng tử của hãng D-Wave.

7.1

D-Wave One

- Vào ngày 11 tháng 5 năm 2011, hệ thống D-Wave đã công bố D-Wave

One, có nhãn “máy tính lượng tử thương mại đầu tiên của thế giới” hoạt động

16


với 128 con chip qubit, sử dụng ủ lượng tử để giải quyết các vấn đề tối ưu
hóa.
Hình 7.1 Ảnh của một con chip được xây dựng bởi D-Wave, được thiết
kế để hoạt động như một bộ xử lí tối ưu hóa lượng tử đoạn nhiệt siêu dẫn
128 qubit, gắn kết trong một dữ mẫu.

7.2

D-Wave Two

- D-Wave Two( tên mã dự án Vesuvius ) là máy tính lượng tử bán sẵn thứ

hai , và kế thừa cho máy tính lượng tử bán sẵn đầu tiên, D-Wave One . Cả hai
máy tính được phát triển bởi D-Wave Systems . Các máy tính được thiết kế
để tính toán lượng tử đoạn nhiệt . Tính đến tháng ba năm 2014, vẫn còn rất
nhiều tranh cãi diễn ra trong D-Wave Two, cho dù các thế hệ tương lai của
máy tính D-Wave sẽ có lợi thế hơn các máy tính cổ điển.

- D-Wave Two tự hào có một 512 - qubit CPU , một cải tiến lớn trên D-

Wave Một, trong đó có một CPU 128-qubit. Nếu mỗi qubit là trong giao tiếp
trực tiếp với tất cả các qubit khác, sau đó một máy 512-qubit sẽ được hơn
100 đơn đặt hàng của các cường độ khó để mô phỏng hơn một máy 128-qubit
nhưng, bởi vì mỗi qubit trong D-Wave Two mạnh hơn 300.000 lần so với DWave One.
- Vào tháng Ba năm 2013, một số nhóm các nhà nghiên cứu tại hội thảo

Adiabatic Quantum Computer tại Viện Vật lý ở London đưa ra bằng chứng
của rối lượng tử trong D-Wave CPU.
- Trong tháng 5 năm 2013, Catherine McGeoch xác minh rằng D-Wave

Two tìm thấy giải pháp cho những vấn đề đó là phải giải quyết bằng cách so
sánh máy với một người giải quyết mục đích chung ( CPLEX ) trong đó
chứng minh tối ưu. Công việc của nó là quan tâm đến chứng minh tính đúng
đắn của thiết bị, nhưng thường được trích dẫn không chính xác của phương
tiện truyền thông công cộng như một đầu đầu đến điểm chuẩn. Nó đã nhiều
lần được chứng minh rằng D-Wave Two không nhanh hơn nhiều so với một
máy tính xách tay thông thường. Vào tháng Tư năm 2013, một bài báo arXiv
bởi Boixo chứng minh rằng ủ mô phỏng chỉ cần khoảng một giây trên một
máy tính xách tay để giải quyết các loại của các vấn đề xem xét
McGeoch. Bài viết xuất hiện trong Nature Physics vào tháng 2 năm 2014.
độc lập, Alex Selby đã chứng minh rằng một thuật toán heuristic được thiết kế
tốt là về nhanh như D-Wave Twovào tháng Sáu năm 2013. Trong Ngoài Jean
Francois Puget từ IBM đã chứng minh rằng, nếu điều chỉnh một cách chính
xác, CPLEX là chậm hơn khoảng 10-15 lần so với D-Wave mà cuối cùng
chứng minh rằng những tuyên bố khoảng 3.600 lần tăng tốc trở lên, là hoàn
toàn không chính xác.
17

- D-Wave Two

tại phòng thí nghiệm siêu máy tính Phòng NASA chi
tiết Trung tâm nghiên cứu Ames được sử dụng cho nghiên cứu máy học và
các lĩnh vực liên quan đến nghiên cứu. NASA , Google , và các trường Đại
học Hiệp hội nghiên cứu không gian (USRA) bắt đầu phòng thí nghiệm vào
năm 2013. Phòng thí nghiệm sẽ khám phá các lĩnh vực như máy học - làm cho
máy tính sắp xếp và phân tích dữ liệu trên cơ sở kinh nghiệm trước đó. Điều
này rất hữu dụng cho các chức năng như dịch thuật, tìm kiếm hình ảnh và
nhận lệnh bằng giọng nói. "Chúng tôi thực sự nghĩ rằng học máy lượng tử có
thể cung cấp quá trình giải quyết vấn đề sáng tạo nhất theo luật pháp được biết
đến vật lý," một bài đăng blog từ Google mô tả thỏa thuận nói.
- Sự hợp tác của Google dẫn đầu chỉ là khách hàng thứ hai để mua máy
tính từ D-Wave, có trụ sở tại Burnaby, Canada. Hàng không vũ trụ khổng lồ
Lockheed Martin, trụ sở chính đặt tại Bethesda, Maryland, là người đầu
tiên. Lockheed mua một máy tính lượng tử D-Wave vào năm 2011 và cài đặt
nó trong một Trung tâm Tính toán lượng tử mới tại Đại học Nam California
(USC) tại Los Angeles. D-Wave từ chối tiết lộ giá của máy tính của họ.
- Cả hai trung tâm máy tính lượng tử - một ở USC và một ở Ames - đã đặt
20% thời gian máy tính của họ để truy cập bởi các nhà nghiên cứu bên
ngoài. "Dựa trên các yêu cầu của bên thứ ba, chúng tôi đã có, tôi muốn nói
cần phải có rất nhiều nhu cầu - có lẽ nhiều hơn có thể được cung", Daniel
Lidar, Giám đốc Trung tâm USC nói. Cho đến nay, người ta đã sử dụng chủ
yếu là các máy để khám phá các ứng dụng có thể có của điện toán lượng tử và
điều tra như thế nào máy tính cư xử, chứ không phải để giải quyết vấn đề
trước đây chưa được trả lời.

18

B - TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.

Sách tham khảo

[1] Imai Hiroshi, Quantum Computation and Information (2006).
[2] Andre Berthiaume, Quantum Computation (1997).
[3] Gregg Jaeger, Quantum Information: An Overview (Berlin: Springer,
2006).
[4] David P. DiVincenzo, Quantum Computation (Science 270 (5234): 255–
261, 1995).
[5] Quinn Norton, The Father of Quantum Computing (Wired.com, 2007).

2. Các trang báo
[1] TS.Ngô Tứ Thành và TS.Lê Minh Thanh, Tạp chí Thế Giới Vi Tính PC World VN, Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông (2003).
[2] Feynman, Tạp chí Quốc tế Vật lý lý thuyết, RP (1982).
[3] TrungTT, Máy tính của tương lai, Theo Cóc đọc số 1 (10/2007).
[4] Trần Triệu Phú, Qubit - Cơ sở của máy tính lượng tử, Thuvienvatly.com
(28/02/2009).
[5] P.Nguyễn, Năm của truyền thông lượng tử, Tạp chí STINFO Số 12
(2012).

19


[6] T.Thu, Máy tính lượng tử - tốc độ nhanh hơn 18 tỷ tỷ lần, liệu có thành
thực tế, Theo Techworld (2006).
[7] Trùng Quang, Ứng dụng từ Nobel Vật lý 2012: máy tính lượng tử,
tinnong.vn (2012).

[8] Phú Khương, Máy tính lượng tử - 'bước nhảy vọt' của CNTT thế kỷ 21,
theo The Economist (2003).

20