Máy tính lượng tử - giấc mơ đã thành sự thật ?

[kuta tutu]

MÁY TÍNH LƯỢNG TỬ

Một doanh nghiệp nhỏ ở Canada cho biết họ đã chế tạo được chiếc máy tính lượng tử mang tính thương mại đầu tiên trên thế giới. Tuy nhiên, theo bình luận của Edwin Cartlidge trên tạp chí Physics World, số tháng 4/2007, thì viễn cảnh một chiếc máy tính lượng tử mang tính thương mại vẫn hãy còn xa, ít nhất là trong vòng một thập kì nữa.​

Khoảng 300 nhà khoa học, nhà báo và doanh nhân đã tập trung tại Bảo tàng Lịch sử Máy tính ở Thung lũng Silicon, California, vào ngày 13/2 vừa qua để tận mắt chứng kiến một người đàn ông giải bài toán nan giải Sudoku trên một chiếc máy tính xách tay. Có thể bạn sẽ hỏi tại sao họ lại phải phiền toái như vậy. Lí do là bài toán đó hình như không được giải bằng chiếc máy tính xách tay tại hiện trường, mà bằng một chiếc máy tính khác, kết nối qua mạng internet, đặt tại một phòng thí nghiệm ở Vancouver. Theo lời công ty Canada D-Wave, thì chiếc máy tính thứ hai nói trên không có linh kiện kĩ thuật số thông thường như những máy tính khác, và nó sẽ là “chiếc máy tính lượng tử thương mại khả thi đầu tiên trên thế giới”.​

Nếu D-Wave, công ty ra đời từ trường đại học British Columbia năm 1999, thực sự xây dựng được thiết bị này thì đây sẽ là một đột phá to lớn. Khoảng 20 năm qua, một số trí tuệ vĩ đại hàng đầu ở các viện hàn lâm và xưởng công nghệ trên thế giới đã cố công xây dựng chiếc máy tính lượng tử - một cỗ máy mà về nguyên tắc nó có thể khai thác được những quy luật kì lạ của cơ học lượng tử nhằm cải tiến tối đa những chiếc máy tính cổ điển khi nó có thể thực hiện được những loại tính toán nhất định. Mặc dù các nhà khoa học này đã xây dựng được các nguyên mẫu cho cỗ máy, nhưng hầu như họ vẫn phải chờ thêm ít nhất là một thập kỉ nữa mới có thể xây dựng được chiếc máy tính lượng tử hữu dụng, bởi vì rất khó thao tác với những hệ lượng tử tinh vi mà không làm phá hủy chúng lúc hoạt động.​

​

Hình 1.D-Wave buộc cỗ máy Orion phải sử dụng cơ học lượng tử để thực hiện các phép toán. Dải thiết bị lọc tần số radio (trên hình) là cần thiết để loại sự nhiễu khỏi hệ thống (Nguồn: D-Wave)​

​

Có lẽ không có gì ngạc nhiên khi các phương tiện truyền thông phản ứng nồng nhiệt với thử nghiệm của D-Wave. Một bài báo chạy dòng tít “Người Canada chiến thắng trong cuộc đua chế tạo siêu máy tính”. Nhưng liệu đây có thực sự là một đột phá như người ta tán dương hay không ? Do tính hơi mập mờ của thử nghiệm và sự thiếu thông tin kĩ thuật có liên quan nên nhiều nhà khoa học khác trong lĩnh vực này vẫn giữ thái độ hoài nghi cao độ. Phil Keukes, một nhà nghiên cứu máy tính lượng tử tại công ty Hewlett Packard, ở Palo Alto, California, là một người trong số đó. Ông nói: “Hình như D-Wave đang sử dụng các hiệu ứng lượng tử nhất định trong cỗ máy của họ. Nhưng không có gì rõ ràng rằng đó là một chiếc máy tính lượng tử”.​

Bên trong cỗ máy Orion​

Các máy tính lượng tử khai thác đặc tính của những hệ lượng tử có thể tồn tại ở hai trạng thái cùng một lúc. Thay vì dùng các bit, 0 hoặc 1, họ dùng các qubit. Qubit có thể đồng thời tồn tại ở trạng thái 0 và 1. Ý tưởng là nếu một chiếc máy tính lượng tử có N qubit như vậy thì chúng có thể được kết hợp hoặc “bị bẫy” để biểu diễn 2N giá trị cùng một lúc. Bằng cách xử lí cùng lúc các giá trị này, về nguyên tắc, một chiếc máy tính lượng tử có thể hoạt động nhanh hơn theo quy luật hàm mũ so với bản sao cổ điển của nó.​

Các nhà nghiên cứu đã xây dựng được những máy tính lượng rất cơ bản - hầu như chỉ gồm một nhóm qubit - sử dụng trạng thái lượng tử của nhiều hệ vi mô, như các ion bị giam trong điện từ trường, các nguyên tử trung hòa, các photon và các mảnh chất bán dẫn nhỏ gọi là chấm lượng tử. Tuy nhiên, cỗ máy có tên là Orion tạo ra 16 qubit của nó từ các cuộn niobi siêu dẫn. Lợi thế của việc sử dụng vật liệu siêu dẫn là - không giống như nguyên tử và photon - chúng là những vật vĩ mô người ta có thể sản xuất và thao tác bằng kĩ thuật vi chip thông thường. Các cặp electron trong chất bán dẫn, làm cho nó có điện trở bằng không ở dưới một nhiệt độ xác định, đều tồn tại ở cùng một trạng thái lượng tử, và do đó về tổng thể nó mang đến những đặc tính lượng tử cho chất bán dẫn.​

Mỗi qubit của Orion có bề ngang chừng 5mm, và con chip gắn chúng có kích thước 5 mm x 5 mm (trong khi toàn bộ hệ thống, kể cả thiết bị làm lạnh, có thể tích
45 m3). Dòng điện trong các qubit của Orion có thể truyền vòng quanh cuộn dây theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ, hoặc hỗn hợp cả hai hướng, tương ứng với bit 0, bit 1 hay là sự chồng nhau của cả hai giá trị. Giá trị của một qubit tại bất kì một thời điểm được xác định bằng ba thông số có thể điều khiển được - “độ nghiêng” của từng qubit về phía 1 hoặc 0; sự ghép đôi giữa các qubit lân cận (tức là dòng điện của chúng có xu hướng truyền cùng chiều hay ngược chiều nhau); và hàng rào thế giữa các trạng thái qubit khác nhau (có thể vượt qua được theo hiệu ứng đường hầm).​

Để thực hiện tính toán, trước tiên Orion được làm lạnh xuống nhiệt độ chỉ còn 0,01K nhằm hạn chế tối đa sự nhiễu nhiệt có thể phá hủy các trạng thái lượng tử. Với các qubit ban đầu được thiết đặt giá trị như nhau, ba thông số sẽ được điều chỉnh thông qua một thuật toán cài sẵn trong máy tính. Một khi các điều chỉnh đã thực hiện xong và hệ thống ở vào trạng thái ổn định, thì kết quả phép tính là con số kĩ thuật số 16 bit cho bởi giá trị cuối cùng của các qubit.​

Orion được thiết kế để giải lớp bài toàn có tên là “NP-hard”, về cơ bản là bài toán tìm giá trị nhỏ nhất hoặc giá trị lớn nhất của một hàm số nhất định (ví dụ như bài toán làm tương hợp các phân tử sinh học với nhau, nghĩa là tối đa hóa sự tương tự trong cấu trúc). Những bài toán như vậy rất “cứng đầu”, vì thời gian cần thiết cho một máy tính thường giải bài toán tăng tỉ lệ theo hàm số mũ với số dữ kiện đầu vào. Nét đẹp của Orion là, về nguyên tắc, nó tìm lời giải bằng cách tuân thủ các quy luật của cơ học lượng tử nhằm xác định giá trị bền nhất của mỗi qubit, mang lại tương quan lực thế hiệu dịch và lực ghép đôi. “Về cơ bản, chúng ta đang đề cập đến khả năng giải phương trình của tự nhiên” - lời của nhà vật lí Geordie Rose, nhà sáng lập và là nhân vật kì cựu trong nghiên cứu kĩ thuật của D-Wave.​

Chỉ là nóng vội​

Theo lí thuyết của D-Wave, Orion cần khoảng thời gian gấp 100 lần để giải cùng một bài toán cho trước so với thuật toán thường phổ biến hiện nay cài trên một máy tính để bàn. Nhưng Rose nói rằng chừng nào công ty đầu tư tăng số qubit trên các chip - họ tuyên bố là sẽ có các 1024-qubit vào cuối năm sau - thì Orion sẽ trở thành đối thủ cạnh tranh của các thuật toán kiểu cũ tốt nhất hiện nay. Bản nâng cấp sắp tới sẽ là phiên bản Orion 32-qubit mà mọi người có thể truy cập qua môi trường internet vào cuối năm nay.​

Bằng cách nào mà một công ty nhỏ như công ty Canada này lại có thể làm một việc mà dường như tất cả các nhóm nghiên cứu trên thế giới trước nay đều lãng tránh ? Câu trả lời là hiện nay Orion chưa thật sự là một máy tính lượng tử đủ bản lĩnh để ra đời. Nó là vật thay thế cho cái được gọi là “máy tính lượng tử đoạn nhiệt”, thiết bị vẫn giữ được mức năng lượng thấp nhất có thể tại mọi điểm trong một phép tính, và do đó ít bị tổn hại đến mức phá hủy hơn - sự phá hủy các giai đoạn tương đối của các mức năng lượng trong một máy tính lượng tử đa năng xảy ra nếu như người ta mang máy tính đặt vào thế giới bên ngoài. “Vì lí do này, việc chế tạo 16-qubit ít thách thức về mặt kĩ thuật hơn so với qubit siêu dẫn đa năng”, Frank Wilhelm, nhà vật lí nghiên cứu qubit siêu dẫn tại đại học Waterloo, Canada, nói.​

​

Hình 2. Trái tim của vật chất. Bộ vi xử lí D-Wave gồm 16-qubit siêu dẫn sắp thành mạng lưới 4 x 4 (Nguồn: D - Wave)​

​

Rose thừa nhận những hạn chế của Orion, chẳng hạn như nó không thể tái tạo các hệ cơ lượng tử khác - một điều mà người ta mong đợi sẽ là một trong những ứng dụng chính của thế hệ đầu tiên của các máy tính lượng tử đa năng, và có thể ứng dụng nó vào hóa học hoặc sinh học chẳng hạn. Ông cũng cho rằng một máy tính lượng tử giải bài toán NP-hard không chắc chắn là sẽ nhanh hơn theo hàm mũ so với máy tính thường, và thay vì vậy có lẽ nó chỉ nhanh hơn vào bậc lũy thừa hai (thực ra thì cũng đẩy tốc độ tính toán lên nhanh hàng ngàn lần). Ông nói: “Chúng tôi cho rằng sự gần đúng bậc hai là giải pháp tốt hơn để chống lại sự nhiễu. Đây là một sự chọn lựa thiết kế, và chúng tôi tin rằng nó có tiềm năng thương mại rất lớn”.​

Tuy nhiên, không phải ai cũng tin rằng Orion có thể đạt tới sự tăng tốc độ theo lũy thừa hai. Umesh Vazirani, một nhà khoa học máy tính tại trường đại học California, Berkeley, nói rằng để đạt được điều này, Orion phải cải thiện tốc độ thực thi thuật toán trong tiến trình tính toán. Nhưng ông cho rằng không ai biết phải làm như thế nào đối với kiểu tính toán mà D-Wave đang cố gắng chiếm lĩnh.​

Rose thừa nhận “có những vấn đề chưa được giải quyết liên quan tới việc tìm kiếm thuật toán hiệu quả cho cỗ máy mà chúng tôi đang xây dựng”, nhưng ông cũng khẳng định rằng phương pháp duy nhất giải quyết vấn đề này là “theo lối kinh nghiệm”, về cơ bản là sẽ lần lượt thiết kế lại và chế tạo lại bộ vi xử lí, còn hơn là thận trọng chế tạo một thiết bị từ những nguyên lí cơ bản. Trong khi miễn cưỡng tiết lộ một số chi tiết, Rose thông báo “không chút hoài nghi” rằng Orion đã thực sự khai thác hiện tượng cơ lượng tử trong tính toán. Nhưng ông cũng thừa nhận ông không biết liệu phiên bản lớn hơn của Orion sẽ có thể khai thác sức mạnh của thế giới lượng tử hay không. Ông nói: “Sự thật thô thiển là thực sự không ai biết một cỗ máy kích thước lớn sẽ hoạt động như thế nào”.​

Bất chấp những sự mập mờ xung quanh kĩ thuật chế tạo, số tiền đầu tư cho dự án của D-Wave vẫn tăng lên 38 triệu đô la - khoảng một nửa là do các nhà đầu tư mạo hiểm tài trợ, phần nửa còn lại lấy từ chính phủ Canada - và người ta hi vọng nó sẽ còn thu thêm nhiều nguồn tài trợ từ các công ty kĩ nghệ có uy tín. Mặc dù Wilhelm vẫn còn hoài nghi về tiềm năng của cách tiếp cận đoạn nhiệt và trong khi chờ D-Wave công bố những chi tiết kĩ thuật của Orion, nhưng ông đồng ý với Rose ở quan điểm sau: chỉ có một cách duy nhất để tìm ra tiềm lực của công nghệ này là xây dựng và kiểm tra phiên bản lớn hơn của thiết bị. “Cho đến khi điều này được thực hiện thì việc đánh giá sức mạnh của con chip này vẫn còn lấp lửng”, Wilhelm nói.​

_ST_
​