Giới thiệu về t&iacute;nh to&aacute;n lượng tử. M&aacute;y t&iacute;nh điện tử gi&uacute;p giải ph&oacute;ng sức lao động tr&iacute; &oacute;c của con người, gi&uacute;p con người đạt đến một tầm cao mới - kỷ nguy&ecirc;n của tự động h&oacute;a. Theo định luật Moore, cứ mỗi 18 th&aacute;ng tốc độ m&aacute;y t&iacute;nh lại tăng l&ecirc;n gấp đ&ocirc;i. Với sự thay đổi ch&oacute;ng mặt của khoa học m&aacute;y t&iacute;nh v&agrave; c&ocirc;ng nghệ th&ocirc;ng tin th&igrave; c&aacute;c b&agrave;i to&aacute;n, c&aacute;c vấn đề của cuộc sống, của khoa học kỹ thuật ng&agrave;y c&agrave;ng trở n&ecirc;n dễ d&agrave;ng hơn. Tuy vậy, vẫn c&ograve;n tồn tại rất nhiều b&agrave;i to&aacute;n của tự nhi&ecirc;n chưa c&oacute; c&aacute;ch thức giải bằng m&aacute;y t&iacute;nh v&agrave; những b&agrave;i to&aacute;n c&oacute; độ phức tạp lớn (c&aacute;c b&agrave;i to&aacute;n NP đầy đủ). Những b&agrave;i to&aacute;n như vậy c&oacute; &yacute; nghĩa rất lớn trong thực tế. Đặc biệt l&agrave; những b&agrave;i to&aacute;n NP đầy đủ sử dụng trong c&aacute;c thuật to&aacute;n m&atilde; h&oacute;a phi đối xứng như: b&agrave;i to&aacute;n ph&acirc;n t&iacute;ch số nguy&ecirc;n tố, b&agrave;i to&aacute;n logarit rời rạc,... Với m&aacute;y t&iacute;nh cổ điển th&igrave; việc giải c&aacute;c b&agrave;i to&aacute;n n&agrave;y cho đến nay chưa đạt hiệu quả mong muốn &ndash; hay n&oacute;i c&aacute;ch kh&aacute;c những hệ mật dựa tr&ecirc;n những b&agrave;i to&aacute;n n&agrave;y tương đối an to&agrave;n đối với sức mạnh t&iacute;nh to&aacute;n cổ điển.
Tuy vậy, dưới quan điểm rằng: &ldquo;C&oacute; thể chế tạo được c&aacute;c cỗ m&aacute;y t&iacute;nh to&aacute;n đơn thuần dựa tr&ecirc;n c&aacute;c hiện tượng vật l&yacute;&rdquo;, R.P. Feynman đ&atilde; đề xuất m&ocirc; h&igrave;nh t&iacute;nh to&aacute;n ho&agrave;n to&agrave;n mới "m&ocirc; h&igrave;nh m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử" dựa tr&ecirc;n l&yacute; thuyết cơ học lượng tử. C&aacute;c m&aacute;y t&iacute;nh cổ điển dựa tr&ecirc;n c&aacute;c kh&aacute;i niệm vật l&yacute; cổ điển, nhưng như đ&atilde; chứng minh trong vật l&yacute;, về bản chất vật l&yacute; cổ điển kh&ocirc;ng thể m&ocirc; tả to&agrave;n bộ c&aacute;c hiện tượng trong thế giới thực. Do đ&oacute; tiềm năng của việc nghi&ecirc;n cứu sức mạnh v&agrave; giới hạn của t&iacute;nh to&aacute;n lượng tử l&agrave; cần thiết.
Điểm kh&aacute;c biệt căn bản nhất của m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử v&agrave; m&aacute;y t&iacute;nh cổ điển l&agrave; bản chất vật l&yacute; dựa tr&ecirc;n c&aacute;c t&iacute;nh chất của cơ học lượng tử m&agrave; ở đ&acirc;y được thể hiện bằng việc lưu trữ v&agrave; xử l&yacute; th&ocirc;ng tin dưới dạng c&aacute;c qubit, ở đ&oacute; mỗi qubit kh&ocirc;ng chỉ tồn tại trạng th&aacute;i 0 v&agrave; 1 m&agrave; c&ograve;n tồn tại ở c&aacute;c trạng th&aacute;i chồng chập giữa 0 v&agrave; 1. Điều n&agrave;y l&agrave;m cho m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử c&oacute; khả năng lưu trữ vượt trội đồng thời c&oacute; tốc độ t&iacute;nh to&aacute;n nhanh hơn rất nhiều lần so với m&aacute;y t&iacute;nh cổ điển. Do giới hạn về mặt vật l&yacute; của việc mở rộng tốc độ t&iacute;nh to&aacute;n của c&aacute;c m&aacute;y t&iacute;nh điện tử dựa tr&ecirc;n định luật Moore khi c&aacute;c thiết bị điện tử kh&ocirc;ng thể vượt qua giới hạn về k&iacute;ch thước hạ nguy&ecirc;n tử, th&igrave; việc mở rộng về tốc độ t&iacute;nh to&aacute;n của c&aacute;c hệ thống vi xử l&yacute; l&agrave; c&oacute; giới hạn. V&igrave; vậy, t&iacute;nh to&aacute;n lượng tử mở ra một triển vọng ph&aacute;t triển mở rộng cho việc n&acirc;ng cấp sức mạnh t&iacute;nh to&aacute;n v&agrave; tăng tốc độ xử l&yacute; cho nhiều thuật to&aacute;n cổ điển.
B&ecirc;n cạnh đ&oacute;, trong nhiều trường hợp m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử kh&ocirc;ng chỉ đơn thuần tăng hiệu năng xử l&yacute; t&iacute;nh to&aacute;n m&agrave; c&ograve;n giảm độ phức tạp t&iacute;nh to&aacute;n nhằm giải quyết những b&agrave;i to&aacute;n c&oacute; độ phức tạp t&iacute;nh to&aacute;n cao. Một v&iacute; dụ kinh điển l&agrave; thuật to&aacute;n ph&acirc;n t&iacute;ch hợp số c&oacute; độ phức tạp đa thức của Shor tr&ecirc;n m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử. Tr&ecirc;n m&aacute;y t&iacute;nh cổ điển, phương ph&aacute;p tốt nhất để ph&acirc;n t&iacute;ch một số nguy&ecirc;n dương c&oacute; độ phức tạp mũ v&agrave; khi muốn ph&acirc;n t&iacute;ch một số nguy&ecirc;n dương c&oacute; 300 chữ số cần ti&ecirc;u tốn thời gian h&agrave;ng ng&agrave;n năm (ngay cả với si&ecirc;u m&aacute;y t&iacute;nh mạnh nhất hiện nay), trong khi thuật to&aacute;n lượng tử của Shor thời gian cần thiết l&agrave; chưa đầy một gi&acirc;y.
Tuy nhi&ecirc;n, với những r&agrave;o cản về mặt vật liệu v&agrave; kỹ thuật, cho tới nay th&igrave; việc x&acirc;y dựng được m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử thay thế cho m&aacute;y t&iacute;nh cổ điển vẫn kh&ocirc;ng phải l&agrave; vấn đề dễ d&agrave;ng. Mặc d&ugrave; vậy, qua hơn ba thập kỷ nghi&ecirc;n cứu v&agrave; ph&aacute;t triển, đ&atilde; c&oacute; rất nhiều c&aacute;c c&ocirc;ng tr&igrave;nh v&agrave; kết quả quan trọng về mặt l&yacute; thuyết lẫn thực nghiệm trong lĩnh vực t&iacute;nh to&aacute;n v&agrave; truyền th&ocirc;ng lượng tử. Sự ph&aacute;t triển của m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử diễn ra rất mạnh mẽ từ đầu những năm 80, cho đến nay c&aacute;c nh&agrave; khoa học tr&ecirc;n thế giới đ&atilde; x&acirc;y dựng được những m&ocirc; h&igrave;nh v&agrave; l&yacute; thuyết quan trọng cho ph&eacute;p đưa m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử v&agrave;o sử dụng trong thực tế. C&aacute;c cột mốc đ&aacute;ng ch&uacute; &yacute; c&oacute; thể kể đến như:
<ul>
<li style="text-align: justify;">Năm 1980 Paul Benioff l&agrave; người đầu ti&ecirc;n nhận ra khả năng li&ecirc;n kết giữa m&ocirc; h&igrave;nh l&yacute; thuyết t&iacute;nh to&aacute;n v&agrave; cơ học lượng tử. &Ocirc;ng chỉ ra ph&eacute;p biến đổi Unita khả nghịch c&oacute; thể m&ocirc; tả to&aacute;n học cho sức mạnh của một m&aacute;y Turing.</li>
<li style="text-align: justify;">Năm 1982 Richard Feynman chỉ ra độ kh&oacute; khi m&ocirc; phỏng một hệ cơ học lượng tử tr&ecirc;n m&ocirc; h&igrave;nh m&aacute;y t&iacute;nh cổ điển c&oacute; độ phức tạp mũ, đồng thời đưa ra khả năng sử dụng một m&aacute;y t&iacute;nh dựa tr&ecirc;n nguy&ecirc;n l&yacute; cơ học lượng tử để vượt qua vấn đề n&agrave;y.</li>
<li style="text-align: justify;">Năm 1985 David Deutsch định nghĩa c&aacute;c m&aacute;y Turing lượng tử, một m&ocirc; h&igrave;nh l&yacute; thuyết cho t&iacute;nh to&aacute;n lượng tử, đồng thời t&igrave;m ra nguy&ecirc;n l&yacute; song song lượng tử, c&ocirc;ng cụ quan trọng trong t&iacute;nh to&aacute;n lượng tử.</li>
<li style="text-align: justify;">Năm 1992 Deutsch v&agrave; Jozsa xem x&eacute;t b&agrave;i to&agrave;n sau: Cho một h&agrave;m $latex f :\{0,1,\ldots,N\}\rightarrow\{0,1\} $ , x&aacute;c định xem liệu $latex f&nbsp; $ l&agrave; h&agrave;m hằng với mọi đầu v&agrave;o hay $latex f&nbsp; $ l&agrave; c&acirc;n bằng (c&oacute; gi&aacute; trị bằng 1 với ch&iacute;nh x&aacute;c một nửa đầu v&agrave;o nhận được v&agrave; bằng 0 với ch&iacute;nh x&aacute;c nửa c&ograve;n lại). Hai t&aacute;c giả đ&atilde; đề xuất ra một thuật to&aacute;n lượng tử tr&ecirc;n m&ocirc; h&igrave;nh m&aacute;y Turing lượng tử, cho ph&eacute;p giải quyết nhanh hơn gấp nhiều lần so với thuật to&aacute;n cổ điển nhanh nhất c&oacute; thể c&oacute; cho b&agrave;i to&aacute;n n&agrave;y.</li>
<li style="text-align: justify;">Năm 1993 Bernstein v&agrave; Vazirani chỉ ra rằng, tồn tại một m&aacute;y Turing lượng tử phổ qu&aacute;t c&oacute; khả năng m&ocirc; phỏng m&aacute;y Turing lượng tử trong thời gian đa thức.</li>
<li style="text-align: justify;">Năm 1994 Peter Shor ph&aacute;t triển một thuật to&aacute;n lượng tử để giải quyết b&agrave;i to&aacute;n ph&acirc;n t&iacute;ch hợp số - một b&agrave;i to&aacute;n v&ocirc; c&ugrave;ng quan trọng trong hệ mật m&atilde; kh&oacute;a c&ocirc;ng khai. Thuật to&aacute;n n&agrave;y nhanh hơn cấp độ mũ so với bất kỳ một thuật to&aacute;n cổ điển n&agrave;o c&oacute; thể c&oacute; nhằm giải quyết b&agrave;i to&aacute;n ph&acirc;n t&iacute;ch hợp số. Khi đ&oacute;, c&aacute;c hệ mật kh&oacute;a c&ocirc;ng khai dựa tr&ecirc;n b&agrave;i to&aacute;n ph&acirc;n t&iacute;ch hợp số như RSA ho&agrave;n to&agrave;n c&oacute; thể bị ph&aacute; vỡ trong thời gian chấp nhận được. Đ&acirc;y l&agrave; kết quả nghi&ecirc;n cứu mang t&iacute;nh đột ph&aacute;, n&oacute; khẳng định sức mạnh của t&iacute;nh to&aacute;n lượng tử so với t&iacute;nh to&aacute;n cổ điển. Nếu m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử được x&acirc;y dựng th&agrave;nh c&ocirc;ng th&igrave; c&aacute;c hệ mật li&ecirc;n quan đến b&agrave;i to&aacute;n ph&acirc;n t&iacute;ch hợp số như RSA, DSA, ECDSA... sẽ ho&agrave;n to&agrave;n bị ph&aacute; vỡ!</li>
<li style="text-align: justify;">Năm 1996, Lov Grover tại Bells Lab đ&atilde; đưa ra thuật to&aacute;n để giải b&agrave;i to&aacute;n t&igrave;m kiếm tr&ecirc;n một danh s&aacute;ch kh&ocirc;ng sắp xếp với tốc độ cực nhanh.</li>
<li style="text-align: justify;">Th&aacute;ng 3 năm 2000, nh&oacute;m nghi&ecirc;n cứu của IBM, do Isac Chung l&atilde;nh đạo đ&atilde; x&acirc;y dựng th&agrave;nh c&ocirc;ng m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử với bộ xử l&yacute; 7-qubit. Mặc d&ugrave; tr&ecirc;n thực tế, số lượng bảy qubit vẫn c&ograve;n qu&aacute; &iacute;t, nhưng đ&acirc;y l&agrave; kết quả đ&aacute;nh dấu một &yacute; nghĩa quan trọng rằng m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử ho&agrave;n to&agrave;n c&oacute; khả năng ứng dụng được trong thực tiễn v&agrave; việc x&acirc;y dựng c&aacute;c m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử c&oacute; khả năng giải quyết c&aacute;c b&agrave;i to&aacute;n thực tế l&agrave; ho&agrave;n to&agrave;n khả thi trong tương lai kh&ocirc;ng xa.</li>
<li style="text-align: justify;">Th&aacute;ng 2 năm 2007, m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử 15 qubit được tuy&ecirc;n bố chế tạo th&agrave;nh c&ocirc;ng.</li>
<li style="text-align: justify;">Th&aacute;ng 4 năm 2014, nh&oacute;m c&aacute;c nh&agrave; nghi&ecirc;n cứu tại đại học Havard do tiến sĩ <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Mikhail_Lukin">Mikhail Lukin</a> đứng đầu đ&atilde; chế tạo th&agrave;nh c&ocirc;ng một thiết bị ngắt mạch lượng tử c&oacute; khả năng bật v&agrave; tắt bằng c&aacute;ch sử dụng một photon duy nhất. Đ&acirc;y được xem l&agrave; một th&agrave;nh tựu c&ocirc;ng nghệ đột ph&aacute; c&oacute; thể mở đường cho việc tạo n&ecirc;n c&aacute;c mạng m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử bảo mật với độ bảo mật v&ocirc; c&ugrave;ng cao trong tương lai.</li>
<li style="text-align: justify;">V&agrave; gần đ&acirc;y th&aacute;ng 9/2019, c&aacute;c nh&agrave; khoa học của Google đ&atilde; tuy&ecirc;n bố vượt qua giới hạn lượng tử để giải b&agrave;i to&aacute;n m&agrave; trước đ&acirc;y ngay cả c&aacute;c si&ecirc;u m&aacute;y t&iacute;nh phải mất h&agrave;ng ng&agrave;n năm để giải th&igrave; nay với m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử do họ tạo ra trong ph&ograve;ng th&iacute; nghiệm chỉ c&ograve;n mất v&agrave;i ph&uacute;t.</li>
</ul>
<img style="width: 600px; display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="https://tek4.vn/public_files/a3cdf957-4361-466a-bb0d-8badcb0612e9" alt="Mikhail-Lukin-va-may-tinh-luong-tu" />
Ch&iacute;nh v&igrave; t&iacute;nh thời sự v&agrave; ưu việt của t&iacute;nh to&aacute;n lượng tử cũng như t&iacute;nh khả thi trong việc ứng dụng t&iacute;nh to&aacute;n lượng tử trong tương lai kh&ocirc;ng xa, tek.vn giới thiệu đến bạn chuỗi b&agrave;i viết "Giới thiệu về t&iacute;nh to&aacute;n lượng tử" nhắm đến mục ti&ecirc;u x&acirc;y dựng c&aacute;i nh&igrave;n tổng quan về <a href="https://tek4.vn/kien-thuc/cong-nghe/tinh-toan-luong-tu/">m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử</a>, c&aacute;c thuật to&aacute;n lượng tử v&agrave; c&aacute;c ứng dụng của thuật to&aacute;n lượng tử trong thực tế như thế n&agrave;o.
Nội dung chuỗi b&agrave;i viết bao gồm:
B&agrave;i 1. M&ocirc; h&igrave;nh t&iacute;nh to&aacute;n cổ điển v&agrave; luận đề Church - Turing
B&agrave;i 2. Cơ sở to&aacute;n học của t&iacute;nh to&aacute;n lượng tử
B&agrave;i 3. Qbuit v&agrave; thanh ghi lượng tử
B&agrave;i 4. Cổng v&agrave; mạch lượng tử
B&agrave;i 5. Ph&eacute;p đo lượng tử v&agrave; c&aacute;c nguy&ecirc;n l&yacute; trong t&iacute;nh to&aacute;n lượng tử
B&agrave;i 6. M&aacute;y t&iacute;nh lượng tử l&agrave; g&igrave;?
B&agrave;i 7. Thuật to&aacute;n lượng tử, xương sống của m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử
B&agrave;i 8. Thuật to&aacute;n Deutsch - Jozsa
B&agrave;i 9. Thuật to&aacute;n Simon
B&agrave;i 10. Thuật to&aacute;n t&igrave;m kiếm Grover
B&agrave;i 11. C&aacute;c ph&eacute;p biến đổi t&iacute;ch ph&acirc;n lượng tử
B&agrave;i 12. Thuật to&aacute;n ước lượng pha
B&agrave;i 13. Thuật to&aacute;n t&igrave;m bậc Modulo N
B&agrave;i 14. Ph&aacute; m&atilde; c&aacute;c hệ mật kh&oacute;a c&ocirc;ng khai bằng m&aacute;y t&iacute;nh lượng tử
B&agrave;i 15. Mật m&atilde; hậu lượng tử (Post-quantum cryptography)
B&agrave;i 16. Mật m&atilde; lượng tử
H&atilde;y c&ugrave;ng theo d&otilde;i chuỗi b&agrave;i viết "Giới thiệu về t&iacute;nh to&aacute;n lượng tử" n&agrave;y v&agrave; để lại b&igrave;nh luận b&ecirc;n dưới nh&eacute;!
&nbsp;
<hr />
Fanpage Facebook:&nbsp;<a href="https://www.facebook.com/tek4.vn/">TEK4.VN</a>&nbsp;
Tham gia cộng đồng để chia sẻ, trao đổi v&agrave; thảo luận:&nbsp;<a href="https://www.facebook.com/groups/tek4.vn/">TEK4.VN - Học Lập Tr&igrave;nh Miễn Ph&iacute;</a>

Admin

Giới thiệu về tính toán lượng tử

Cùng tác giả

Admin

Có liên quan