CVv478S122021035

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NAM CẦN THƠ Tạp chí Khoa học Kinh tế phát triển số 12 SỰ PHÁT TRIỂN MÁY TÍNH LƯỢNG TỬ TRONG 20 NĂM NAY Huỳnh Võ Hữu Trí5, Trương Tiến Minh6 Tóm tắt: Máy tính điện tử thứ cần thiết sống đại chúng ta, nhiên với tốc độ phát triển nhanh chóng khoa học cơng nghệ đứng trước giới hạn định Và để giải tốn máy tính lượng tử nghiên cứu Bài báo trình bày phát triển máy tính lượng tử năm qua theo cột mốt thời gian trước sau năm 2000 Từ khóa: Quantum computing, phát triển máy tính lượng tử, máy tính lượng tử trước năm 2000, máy tính lượng tử sau năm 2000 Abstract: Electronic computer is significantly essential in our modern life However, rapid pace of development in science and technology makes it expose certain limits Quantum computers have been being studied in order to solve this problem This paper discusses the development of quantum computers before and after 2000 Keywords: Quantum computing, development of quantum computer, quantum computers before and after 2000 Giới thiệu 1.1 Khái niệm kiến thức liên quan máy tính lượng tử Máy tính lượng tử (Quantum computing) dạng điện toán dựa vật lý lượng tử Khi máy tính truyền thống dựa vào bit (số số 1) để tính toán (Trần Triệu Phú, 2011) Quantum Computing sử dụng bit lượng tử (qubit) tận dụng học lượng tử để hoạt động tính tốn theo dạng chồng định thời điểm, kết hợp (Roger Highfield, 2019 a) Trong máy tính thơng thường, sử dụng số nhị phân "0" "1" thể lực công nghệ cổng hợp lý để xử lý thông tin, máy tính lượng tử, sử dụng cơng nghệ cổng logic lượng tử xử lý liệu Đối với kỹ thuật này, Học viện Quốc gia Hoa Kỳ Tiêu chuẩn khoa học cơng nghệ David - Haneke giải thích: "Ví dụ, cửa đơn qubit đơn giản từ “0” thành “1”, từ “1” để chuyển đổi trở thành “0” Chuyển đổi làm cho dung lượng lưu trữ máy tính để nhân tăng cấp độ (Trung Kiên, 2020) Với cổng logic vật lý máy tính truyền thống khác Viện Quốc gia Hoa Kỳ Tiêu chuẩn Công nghệ phát triển Giảng viên Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại học Nam Cần Thơ Sinh viên Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại học Nam Cần Thơ 35 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NAM CẦN THƠ Tạp chí Khoa học Kinh tế phát triển số 12 thành viên lập trình lượng tử lượng tử cổng logic máy tính mã hóa thành xung laser Máy tính lượng tử thử nghiệm sử dụng để lưu trữ qubit ion beryllium Khi xung laser cửa qubit lượng tử vật lý thực hoạt động logic đơn giản, vòng quay ion beryllium bắt đầu chạy Thực phương pháp cổng logic lượng tử thiết kế loạt xung laser để thao tác ion beryllium cho xử lý liệu, sau sử dụng xung laser để đọc kết 1.1.1 Định luật Moore gì? Tại lại nói máy tính lượng tử đến giới hạn? Máy tính điện tử phát triển nửa kỷ, từ chức thực tính tốn số học, ngày với xử lý, lưu trữ truyền tin, máy tính xâm nhập vào tất lĩnh vực hoạt động người (Thanh Nam, 2013) Điều làm máy tính có tiến gia tăng tốc độ tính tốn Định luật Moore lý thuyết sẵn có bóng bán dẫn mạch tích hợp Năm 1965, người đồng sáng lập Intel, Gordon Moore, quan sát thấy số lượng bóng bán dẫn inch vng mạch tích hợp tăng gấp đôi năm kể từ phát minh Moore dự đốn xu hướng tiếp tục năm 2020 Quá trình thêm bóng bán dẫn liên quan đến việc thu nhỏ kích thước tương đối bóng bán dẫn nửa để tạo khoảng trống thay tăng kích thước mạch Đây lý kỹ sư máy tính tạo thiết bị theo thời gian vừa nhỏ vừa mạnh thiết bị tiền nhiệm Các nhà lãnh đạo đồng nghiệp cộng đồng khoa học máy tính bắt đầu coi quan sát Moore “định luật” thiếu chứng thực nghiệm Vào năm 1975, Moore sửa đổi lý thuyết để tuyên bố bóng bán dẫn tăng gấp đôi sau hai năm, ghi nhận giảm nhẹ tốc độ chép Cái nhìn sâu sắc Moore nhiều thập kỷ thúc đẩy gần đổi ngành cơng nghiệp máy tính (Roger Highfield, 2019 b) Trong năm gần đây, Định luật Moore dần khơng cịn phù hợp Những dự đốn mà Moore đưa có liên quan đến tốc độ đổi tốc độ chậm lại, mong đợi Moore Gần nhất, nhà máy đúc bán dẫn TSMC thơng báo họ có kế hoạch phát hành 3nm ( nanomet ) vào thời điểm vào năm 2022 (TensorFlow, 2018 a) Để so sánh, đường kính nguyên tử đo từ 0,1 đến 0,5 nanomet, có giới hạn hữu hạn độ nhỏ nguyên tử bóng bán dẫn trở thành (Bảo Lâm, 2019) Một số chuyên gia ngành đưa giả thuyết xu hướng tạo thay đổi cách sử dụng chip; thay cách tiếp cận kích thước phù hợp với tất cả, chip sử dụng cho mục đích chuyên biệt cao để sức mạnh tính tốn tập trung hiệu (Ndminhduc, 2013 a) 1.1.2 Cơ sở vật lý máy tính lượng tử Các hệ thống máy tính cổ điển mạnh mẽ tồn ngày dựa tảng vững thành phần vật lý đáng tin cậy Các bóng bán dẫn, khối xây dựng cho mạch 36 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NAM CẦN THƠ Tạp chí Khoa học Kinh tế phát triển số 12 tích hợp máy tính cổ điển, giao tiếp với thông qua việc sử dụng tín hiệu điện Những tín hiệu có chất tương tự, có nghĩa giá trị chúng thay đổi cách trơn tru, nhiệt độ tốc độ Trong mạch, bóng bán dẫn kết nối qua dây dẫn, dẫn tín hiệu điện từ thiết bị sang thiết bị Thật khơng may, tín hiệu điện tương tác với môi trường chúng, tương tác làm gián đoạn xáo trộn giá trị chúng Sự nhiễu loạn gọi nhiễu chia thành hai thành phần Đầu tiên, kết dao động lượng phát sinh tự phát bên vật thể có nhiệt độ tuyệt đối Thứ hai, kết từ tương tác tín hiệu mà theo lý thuyết mơ hình hóa sửa chữa, hồn tồn khơng mơ hình hóa, khơng mơ hình hóa xác, bị cố tình khơng sửa chữa cấp độ phần cứng Tiếng ồn có hệ thống phát sinh từ nhiều nguồn Để hoạt động bình thường, mạch phải mạnh mẽ để chống lại tiếng ồn mà biến thể gây nhà thiết kế khơng biết chi tiết xác việc thực mà họ sử dụng Ngay việc che giấu thơng tin khơng phải vấn đề, nhiễu có hệ thống phát sinh từ biến thể chế tạo Mặc dù nhà thiết kế xem xét tương tác tín hiệu danh nghĩa, biến thể trình sản xuất, điều mà thực tế khơng hồn tồn xác tạo hệ thống khác so với hệ thống thiết kế Những khác biệt lại làm phát sinh tiếng ồn có hệ thống Để hoạt động bình thường, mạch phải mạnh mẽ để chống lại tiếng ồn mà biến thể gây nhà thiết kế khơng biết chi tiết xác việc thực mà họ sử dụng Ngay việc che giấu thông tin vấn đề, nhiễu có hệ thống phát sinh từ biến thể chế tạo Mặc dù nhà thiết kế xem xét tương tác tín hiệu danh nghĩa, biến thể trình sản xuất - điều mà thực tế khơng hồn tồn xác tạo hệ thống khác so với hệ thống thiết kế (TED, 2019) Những khác biệt lại làm phát sinh tiếng ồn có hệ thống Để hoạt động bình thường, mạch phải mạnh mẽ để chống lại tiếng ồn mà biến thể gây vấn đề thực tế, khơng hồn tồn xác tạo hệ thống khác so với hệ thống thiết kế Những khác biệt lại làm phát sinh tiếng ồn có hệ thống Để hoạt động bình thường, mạch phải mạnh mẽ để chống lại tiếng ồn mà biến thể gây vấn đề thực tế, khơng hồn tồn xác tạo hệ thống khác so với hệ thống thiết kế Những khác biệt lại làm phát sinh tiếng ồn có hệ thống Để hoạt động bình thường, mạch phải mạnh mẽ để chống lại tiếng ồn mà biến thể gây ra.(Vfacts, 2019 b) Để giải vấn đề nhiễu với mạch tương tự, hầu hết IC sử dụng bóng bán dẫn để tạo mạch hoạt động tín hiệu nhị phân, kỹ thuật số gọi Bit, khơng phải tín hiệu tương tự Các mạch này, gọi cổng kỹ thuật số đơn giản cổng, xem tín hiệu điện dạng giá trị nhị phân 1, thay xem số thực thay đổi trơn tru từ đến 1(Kurzgesagt - In a Nutshell, 2015) Một số cổng, gọi ghi nhớ lưu trữ giá trị bit, ghi khác xử lý số giá trị bit đầu vào để tạo giá trị đầu Bằng cách hạn chế tập hợp giá trị mà tín hiệu mang, cổng loại bỏ tiếng ồn thêm vào tín hiệu, cung cấp gọi 37 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NAM CẦN THƠ Tạp chí Khoa học Kinh tế phát triển số 12 khả chống nhiễu Điều đạt cách coi tất tín hiệu có giá trị điện gần với mức danh nghĩa tín hiệu xung quanh mức cung cấp giá trị đầu không phụ thuộc vào điện áp đầu vào xác Xây dựng vi mạch hồn tồn khơng sử dụng cổng kỹ thuật số đơn giản hóa đáng kể quy trình thiết kế cho hệ thống kỹ thuật số cách tạo khung mạch mạnh mẽ không nhạy cảm với hầu hết chế tạo biến thể thiết kế Do đó, nhà thiết kế bỏ qua tất vấn đề mạch nghĩ cổng đơn giản hàm gọi hàm Boolean nhận giá trị nhị phân xuất giá trị nhị phân Các loại chức hoạt động theo cách hồn tồn mơ tả quy tắc thiết lập tốt đại số Boolean Mã kiểm tra lần đọc, giúp phát lỗi nhớ Các ECC (Error Checking and Correction) hiệu phát triển, với tổng chi phí nhỏ (thêm bit vào giá trị 64 bit, chi phí thấp 15%), phát sửa lỗi bit đơn hoạt động nhớ phát lỗi bit kép Các chương trình sửa lỗi hiệu quan trọng thành công độ tin cậy hệ thống máy tính cổ điển ngày (TensorFlow, 2018 b) Quy trình thiết kế kỹ thuật số giúp thực khía cạnh khác thiết kế, chẳng hạn kiểm tra loại bỏ lỗi khỏi thiết kế, quy trình thường gọi gỡ lỗi Trong IC, có hai loại lỗi cần xử lý: lỗi thiết kế lỗi sản xuất Do phức tạp hệ thống đại, lỗi chắn xảy thiết kế, phương pháp để tìm lỗi sửa chúng khía cạnh quan trọng chiến lược thiết kế Khi mạch tích hợp miếng silicon nhỏ, khó khơng thể nhìn vào tín hiệu bên để cố gắng theo dõi lỗi Để giảm thiểu điều này, công cụ tổng hợp ánh xạ mô tả thiết kế cấp cao thành cổng bổ sung phần cứng, bổ sung cho thiết kế để cung cấp điểm kiểm tra nội cho phép loại lỗi thiết kế Như phần cho thấy, máy tính lượng tử có cấu trúc giống bit gọi qubit cổng, chúng hoạt động khác với bit cổ điển cổng kỹ thuật số Các qubit có ký tự kỹ thuật số ký tự tương tự cung cấp sức mạnh tính tốn tiềm chúng (Science Stuff VI, 2019) Bản chất tương tự chúng ngụ ý không giống cổng cổ điển, cổng lượng tử khơng có biên độ nhiễu (lỗi đầu vào chuyển trực tiếp đến đầu cổng), chất kỹ thuật số chúng cung cấp phương tiện để phục hồi từ nhược điểm quan trọng Do đó, cách tiếp cận thiết kế kỹ thuật số trừu tượng phát triển cho tính tốn cổ điển sử dụng trực tiếp cho tính tốn lượng tử 1.1.3 Đơn vị thơng tin máy tính lượng tử Khi tạo vi mạch thông thường, nhà thiết kế nỗ lực để giảm thiểu tác động tượng lượng tử, thường biểu dạng nhiễu lỗi khác ảnh hưởng đến hiệu suất bóng bán dẫn, đặc biệt thiết bị ngày nhỏ Tính tốn lượng tử tất dạng có cách tiếp cận khác cách nắm lấy thay cố gắng giảm thiểu tượng lượng tử, sử dụng lượng tử thay bit cổ điển (CNBC, 2020) Một bit lượng tử, hay qubit, có hai trạng thái lượng tử, tương tự trạng thái nhị phân cổ điển Mặc dù qubit hai trạng thái, tồn 38 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NAM CẦN THƠ Tạp chí Khoa học Kinh tế phát triển số 12 dạng “chồng chất” hai (như mơ tả trước ví dụ đồng tiền lượng tử) Đơn vị thông tin máy tính lượng tử qubit Đó ký hiệu trạng thái hạt lượng tử hai trạng thái Hai trạng thái riêng hạt ký hiệu |0〉 |1〉 (ví dụ |0〉 spin up |1〉 spin down) Khi trạng thái lập hạt trạng thái chồng chập: |Ѱ> = α|0〉 + β|1〉, α, β số phức thỏa mãn điều kiện |α|2 + |β|2 = Mỗi trạng thái chồng chập qubit, ứng với hai bit cổ điển |0〉 |1〉 có vơ số qubit Bằng cách chuyển sang toạ độ cầu không gian ba chiều biểu diễn qubit dạng: Hãy xem xét hệ thống gồm hai bit Về mặt cổ điển, hai bit tồn bốn cấu hình có, 00, 01, 10 11 Để tính tốn đầu hàm Boolean hai bit cho đầu vào sử dụng mạch cổ điển, người ta cần tạo cặp tín hiệu tương ứng, gửi tín hiệu vào cổng tương ứng với chức năng, hướng tín hiệu vào riêng bốn cổng giống hệt tương ứng với chức quan tâm Mặt khác, người ta sử dụng máy tính lượng tử, tất bốn khả mã hóa thành trạng thái hai qubit thơng qua chồng chất bốn trạng thái lượng tử | 00⟩, | 01⟩, | 10⟩, | 11⟩ Việc tính tốn thực cổng lượng tử nhất, hoạt động song song tất trạng thái lúc Có thể dễ dàng hiểu hệ thống đa bit lại mạnh mẽ Một cách khác để nghĩ sức mạnh tiềm tàng tập hợp qubit xem xét lượng thông tin cần thiết để xác định đầy đủ trạng thái hệ thống qubit Một hệ thống hai bit kỹ thuật số thông thường yêu cầu hai bit thông tin để biểu diễn trạng thái Ngược lại, hệ hai qubit tồn dạng chồng chất bốn trạng thái (| 00⟩, | 01⟩, | 10⟩, | 11⟩), yêu cầu bốn số phức, (a 00 , a 01 , a 10 , 11) để mô tả đầy đủ trạng thái lượng tử, thay hai bit Các giá trị khác bốn hệ số mã hóa kết tất loại hoạt động có trước thực hai qubit này, xác suất kết thúc trạng thái hệ thống đo Đối với hệ thống ba qubit, tám hệ số yêu cầu để định cho đóng góp từ trạng thái (| 000⟩, | 100⟩, | 010⟩, | 001⟩, | 110⟩, | 101⟩, | 011⟩, | 111⟩) cho hàm sóng ba qubit Theo logic này, hệ thống n -qubit yêu cầu n hệ số, a i , định, thay n bit máy tính cổ điển Tỷ lệ theo cấp số nhân trạng thái lượng tử thứ cho phép 32 qubit đại diện cho 232 đầu có hàm 32 bit minh họa phong phú máy tính lượng tử, khó khăn việc mơ hình hóa máy theo kiểu cổ điển chúng tăng kích thước (Ndminhduc, 2013 a) Hình 1: Biểu diễn qubit dạng cơng thức Quan điểm rằng, qubit có “bit” tên chúng, chúng khơng phải kỹ thuật số hoàn toàn nhị phân Trạng thái hệ thống qubit mã hóa i giá trị hệ số, tập hợp tín hiệu analog (trên thực tế số phức), mà khơng phải mạnh mẽ để tiếng ồn Trong hệ thống kỹ thuật số có hai mức hợp pháp, chẳng hạn 1, dễ dàng loại bỏ nhiễu hệ thống, tất giá trị gần 39 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NAM CẦN THƠ Tạp chí Khoa học Kinh tế phát triển số 12 1, với sai lệch nhỏ Ví dụ, giá trị tín hiệu đầu vào 0,9 gần chắn 1, cổng “loại bỏ” nhiễu cách coi giá trị đầu vào trước tính tốn đầu Trong tín hiệu tương tự, giá trị từ đến có ý nghĩa phép, khơng có cách để biết liệu tín hiệu có xác hay bị nhiễu nhiễu Ví dụ: 0,9 có nghĩa với số lỗi có nghĩa 0,9 khơng có lỗi Trong tình này, dự đốn tốt (dẫn đến sai số rịng nhỏ nhất) giả định lỗi coi giá trị nhiễu tín hiệu thực Điều có nghĩa nhiễu trình triển khai vật lý hệ thống qubit làm xáo trộn giá trị a, i thực tế ảnh hưởng đến độ xác kết tính tốn lượng tử Vì khơng có cổng tương tự hoàn toàn phù hợp với thơng số kỹ thuật (khơng thể xác hoàn toàn), hoạt động cổng gây thêm tiếng ồn cho hệ thống tổng thể, với số lượng phụ thuộc vào độ xác hoạt động cổng Tuy nhiên, cổng lượng tử khơng hồn tồn tương tự: phép đo qubit trả giá trị nhị phân Mối quan hệ kỹ thuật số đầu vào đầu có nghĩa việc sửa lỗi logic áp dụng cho máy lượng tử sử dụng cổng lượng tử làm hoạt động chúng Các thuật toán gọi sửa lỗi lượng tử (QEC) chạy máy tính lượng tử dựa cổng nhiễu để giảm lỗi mô hệ thống không ồn Hình 2: Biểu diễn bit qubit 1.1.4 Ngơn ngữ lập trình máy tính lượng tử Các thuật tốn lượng tử cung cấp khả phân tích liệu đưa mô dựa liệu Các thuật tốn viết ngơn ngữ lập trình tập trung vào lượng tử Một số ngôn ngữ lượng tử phát triển nhà nghiên cứu công ty công nghệ Dưới vài ngôn ngữ phổ biến gồm: • QISKit: Bộ phần mềm thông tin lượng tử IBM thư viện đầy đủ để viết, mô chạy chương trình lượng tử • Q#: Ngơn ngữ lập trình có cơng cụ phát triển lượng tử Microsoft Bộ công cụ phát triển bao gồm thư viện thuật tốn mơ lượng tử • Cirq: Một ngơn ngữ lượng tử phát triển Google sử dụng thư viện python để viết mạch chạy mạch máy tính mơ lượng tử 40 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NAM CẦN THƠ Tạp chí Khoa học Kinh tế phát triển số 12 • Forest : Một mơi trường dành cho nhà phát triển tạo Rigetti Computing, sử dụng để viết chạy chương trình lượng tử 1.2 Ưu điểm nhược điểm máy tính lượng tử Đối với chủ đề máy tính lượng tử, việc hiểu nhanh ưu nhược điểm điện toán lượng tử phần loạt chủ đề chủ đề Hãy ưu điểm làm theo nhược điểm điện toán lượng tử 1.2.1 Ưu điểm Giống trường hợp trình diễn đột phá máy tính lượng tử thương mại IBM Trên lý thuyết máy tính lượng tử thực tác vụ mà máy tính cổ điển làm được, trường hợp trưng bày gần IBM chứng minh điều Tuy nhiên, điều khơng thiết có nghĩa máy tính lượng tử hoạt động tốt máy tính cổ điển cho tất loại tác vụ (đặc biệt bạn thêm chi phí vào) Nếu sử dụng thuật tốn cổ điển máy tính lượng tử, đơn giản thực phép tính theo cách tương tự máy tính cổ điển Để máy tính lượng tử thể tính ưu việt nó, cần phải sử dụng mà gọi 'thuật tốn lượng tử' khai thác tượng song song lượng tử Nói cách khác, lặp lại thuật toán tương tự, chẳng có đáng kể Các thuật tốn khơng dễ hình thành, cần thời gian nỗ lực nghiên cứu phát triển (R&D) nguồn lực để khám phá hoạt động Một ví dụ tiếng cho thuật toán thuật tốn phân tích nhân tử lượng tử tạo Peter Shor phịng thí nghiệm AT&T Bell Những thuật tốn làm giải vấn đề phân tích số lớn thành thừa số nguyên tố Và nhiệm vụ mặt cổ điển khó giải (dựa cơng nghệ tại) Thuật toán Shor khéo léo sử dụng hiệu ứng song song lượng tử để đưa kết toán thừa số nguyên tố vài giây, máy tính cổ điển, số trường hợp, nhiều tuổi vũ trụ để tạo kết quả! (Bạn nhận thấy khơng cơng nghệ, máy học (ML), trí tuệ nhân tạo (AI), liệu lớn, điện toán đám mây để tăng tốc phát triển điện toán lượng tử Trên ví dụ, bạn nhận nhiều từ tin tức khác nhau, giới tiếp tục phát triển 1.2.2 Nhược điểm Điều đầu tiên, chi phí Ngay IBM gần trình diễn giải pháp điện tốn lượng tử thương mại họ, việc cung cấp làm sở "đăng ký" dựa trường hợp sử dụng theo yêu cầu hợp lý Để điện toán lượng tử thực đạt chấp nhận hàng loạt quan trọng, cần thời gian dài để tất biến chi phí trở nên hợp lý, sau thấy cách điện tốn lượng tử cách mạng hóa cơng nghệ đại chúng Vì vậy, nên biết điều đến, cần khơng cần đầu tư nhiều vào 41 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NAM CẦN THƠ Tạp chí Khoa học Kinh tế phát triển số 12 Quá trình phát triển máy tính lượng tử 2.1 Máy tính lượng tử trước năm 2000 2.1.1 Những năm 1980 Năm 1980, nhà khoa học Mỹ, Paul Benioff người đề xuất máy tính hoạt động theo nguyên tắc lượng tử Ý tưởng ơng máy tính lượng tử dựa máy tính băng giấy tiếng Alan Turing mô tả báo năm 1936 ông (Nguyễn Anh Khoa, 2018 a) Năm tiếp theo, nhà vật lý Richard Feynman, chứng minh mơ hệ thống lượng tử máy tính cổ điển Lập luận ông xoay quanh định lý Bell, viết năm 1964 Ông cách học cổ điển khơng giải thích đầy đủ dự đoán phát sinh từ học lượng tử Feynman đề xuất cách máy tính lượng tử mơ hệ thống lượng tử nào, kể giới vật lý giảng năm 1984 Khái niệm mượn từ máy tính Turing lượng tử Benioff (Ami Nichols, 2015) Năm 1985, David Deutsch, nhà vật lý, xuất báo mơ tả máy tính lượng tử phổ dụng giới Ông cách cỗ máy lượng tử tái tạo hệ thống vật lý thực Hơn làm điều phương tiện hữu hạn nhanh nhiều so với máy tính cổ điển Ơng người thiết lập khái niệm toán học máy Turing lượng tử, mơ hình hóa hệ lượng tử 2.1.2 Những năm 1990 Sự nhiệt tình cho việc tạo máy tính lượng tử thực khởi đầu với thuật toán Shor vào năm 1994 Peter Shor, nhà toán học Bell Labs, đề xuất phương pháp để xác định số nguyên lớn Điều có ý nghĩa nghiêm trọng mật mã, điều phụ thuộc vào hoạt động khó để giữ mã an tồn Thuật tốn Shor tìm kiếm định kỳ số nguyên dài - dãy chữ số lặp lại Nó sử dụng nguyên tắc lượng tử chồng chất để cọ xát cho chu kỳ thời gian nhanh chóng chớp mắt vài phút Để thực tính tốn tương tự máy tính cổ điển nhiều thời gian tuổi vũ trụ (Nguyễn Anh Khoa, 2018 b) Lý thuyết thông tin lượng tử theo sau với phát triển tương tự Năm 1995, Ben Schumachercung cấp tương tự với định lý mã hóa khơng ồn Shannon, q trình xác định “bit lượng tử” “qubit” nguồn tài nguyên vật lý hữu hình Tuy nhiên, khơng tương tự với định lý mã hóa kênh ồn Shannon chưa biết đến với thông tin lượng tử Tuy nhiên, tương tự với đối tác cổ điển họ, lý thuyết lượng tử sửa lỗi phát triển, đề cập, cho phép máy tính lượng tử để tính tốn hiệu diện tiếng ồn, cho phép giao tiếp kênh lượng tử ồn xảy đáng tin cậy Thật vậy, ý tưởng cổ điển sửa lỗi chứng minh vô quan trọng việc phát triển hiểu mã điều chỉnh lỗi lượng tử Năm 1996, hai nhóm làm việc độc lập, 42 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NAM CẦN THƠ Tạp chí Khoa học Kinh tế phát triển số 12 Robert Calderbank Peter Shor, Andrew Steane phát lớp quan trọng mã lượng tử gọi mã CSS sau viết tắt họ Công việc bao gồm mã ổn định, độc lập phát Robert Calderbank, Eric Rains, Peter Shor Neil Sloane, Daniel Gottesman Bằng cách xây dựng dựa ý tưởng lý thuyết mã hóa tuyến tính cổ điển, khám phá nhiều tạo điều kiện cho hiểu biết nhanh chóng mã điều lỗi lượng tử ứng dụng chúng để tính tốn lượng tử thơng tin lượng tử (Wires Authors, 2020) 2.2 Máy tính lượng tử 2000 đến 2.2.1 Những năm 2000-2007 Năm 2000, máy tính NMR qubit làm việc đưa qua bước đại học kỹ thuật Munich Ngay sau đó, phịng thí nghiệm quốc gia Los Alamos vượt qua thành tích với máy tính lượng tử NMR qubit hoạt động Năm 2001 tiếng năm mà thuật toán Shor mang tính bước ngoặt chứng minh lần Một nhóm nghiên cứu Trung tâm nghiên cứu Almaden IBM California thành công việc xác định số nguyên 15 thành (Nguyễn Anh Khoa, 2018 c) Họ sử dụng lượng nhỏ chất lỏng riêng biệt chứa hàng tỷ phân tử Các phân tử tạo từ năm nguyên tử florua hai nguyên tử cacbon, nguyên tử có trạng thái spin hạt nhân riêng chúng Các phân tử hoạt động máy tính lượng tử qubit xung với sóng điện từ giám sát cách sử dụng Năm 2006, nhà khoa học Viện Vật lý Lượng tử Vành đai Viện Vật lý lý thuyết trình bày tiêu chuẩn hoạt động cách kiểm soát hệ thống lượng tử 12 qubit với trang trí tối thiểu Bộ xử lý thông tin lượng tử NMR sử dụng để giải mã tính tốn (The Secrets of the Universe, 2020) Những mức độ kiểm soát lượng tử chưa có dẫn đến hy vọng máy tính lượng tử lớn phát triển ngày Cũng năm 2006, nhà nghiên cứu Đại học Arkansas tạo phân tử cặp dấu chấm lượng tử Chúng có tiềm lớn cho máy tính lượng tử, đặc biệt phân tử phức tạp tạo Năm 2007 chứng kiến lần sử dụng thuật toán Deutsch máy tính lượng tử cụm Các nhà nghiên cứu Belfast Vienna nghiên cứu tương tác chồng chất bốn photon mã hóa lượng tử 2.2.2 Giai đoạn máy tính lượng tử “bùng nổ” (2007-2020) Cuối năm 2007, công ty gọi D-Wave Systems tuyên bố chế tạo máy tính lượng tử 28 qubit Nó chứng minh vào ngày 12 tháng 11, sử dụng chip thực Phòng thí nghiệm phản lực NASA California Họ tuyên bố sản xuất chip máy tính 128-qubit Nhiều người coi tuyên bố họ gây tranh cãi, D-Wave sử dụng phương pháp chống lại việc sử dụng cổng logic lượng tử (Nguyễn Thạch Thảo, 2020) 43 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NAM CẦN THƠ Tạp chí Khoa học Kinh tế phát triển số 12 Năm 2011, D-Wave Systems phát triển ủ lượng tử Ngay sau đó, họ giới thiệu máy tính lượng tử nhiệt độ họ, D- Wave One Đây hệ thống máy tính lượng tử thương mại giới có giá 10.000.000 USD Q trình ủ lượng tử trình mà dãy qubit ghép đơi thiết lập để tìm trạng thái lượng thấp chúng Sử dụng thuật toán Shor nhanh nhiều, D-Wave One sử dụng thuật toán đặc biệt để giải vấn đề Vào năm 2012, nhóm nhà vật lý Trung Quốc sử dụng máy tính lượng tử điện tử để tìm nhân tố số nguyên 143, sử dụng bốn qubit Hệ số lượng tử tốt trước 21, đạt vào năm 2012 cách sử dụng thuật toán Shor Năm 2012, hệ thống D-Wave đưa máy tính lượng tử 512 qubit họ, gọi Vesuvius Được mua Google, đặt Trung tâm Nghiên cứu Ames NASA Xử lý mạch D-Wave làm kim loại niobi, mà sau trở thành chất siêu dẫn nhiệt độ thấp, nhiệt độ vi xử lý thấp trừ 273,15 ° Xử lý D-Wave đóng gói phịng bảo vệ cột lạnh bên trong, mà cịn bên ngồi chắn xử lý gói lên tầng 16, bạn chặn tất nhiễu điện từ (TNC Channel, 2019 a) Và bao gồm xử lý bit lượng tử kết nối coupler, bên vịng trịn nhớ từ tính lập trình Cơng ty tiếp cận việc phát hành tính cạnh tiềm Lượng tử máy tính xử lý thông tin với khác từ máy tính thơng thường Mỗi qubit bổ sung (tương đương với bóng bán dẫn chip truyền thống), D-Wave xử lý sức mạnh tính tốn tăng gấp đơi Cơng ty hy vọng kết thúc năm 2012 khởi động 512-qubit máy tính lượng tử, cơng ty chứng minh thân 10 năm liên tiếp cho phép tăng gấp đôi năm số lượng qubit "Tăng gấp đôi năm số lượng bit lượng tử" khác cho biết pháp luật Ross, luật người sáng lập tác giả D-Wave tên Luật Rose Với định nghĩa máy tính tốc độ tăng trưởng ngành công nghiệp truyền thống Định luật Moore, pháp luật Roth có nghĩa máy tính lượng tử có khả tính tốn mạnh theo cấp số nhân Và tốc độ tăng trưởng cho trí tuệ nhân tạo, y tế, tìm kiếm Internet lĩnh vực khác có ý nghĩa lớn (Veritasium, 2013) Vào năm 2013, D-Wave Systems công bố báo cáo so sánh tốc độ máy tính lượng tử với PC cao cấp (TNC Channel, 2019 b) Máy tính lượng tử chạy thuật tốn tối ưu hóa nhanh gấp 3.600 lần so với máy tính để bàn Viện Vật lý London đưa chứng cho thấy chip D-Wave thực hoạt động theo cách lượng tử Bước tiến quan trọng năm 2013 việc đánh bại kỷ lục để tránh trang trí qubit nhiệt độ phịng Bản ghi thứ hai trước đó, thiết lập năm trước, bị phá vỡ 39 phút Các nhà nghiên cứu quản lý để giữ qubit từ decohering ba nhiệt độ đông lạnh Ngay tuổi thọ 39 phút cho phép 20 triệu phép tính lượng tử thực trước chúng bị phân hủy 1% (Google, 2013) Vào năm 2015, D-Wave Systems giới thiệu máy tính lượng tử D-Wave 2X 1,152 qubit Vào đầu năm 2017, họ vượt qua điều với D-Wave 2000Q, trang bị 2.048 qubit, bán cho hệ thống phòng thủ tạm thời Thành tựu tiếp tục kỷ lục họ việc 44 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NAM CẦN THƠ Tạp chí Khoa học Kinh tế phát triển số 12 tăng gấp đôi số lượng qubit xử lý lượng tử họ sau hai năm Càng nhiều qubit, phức tạp vấn đề giải (Fred Bellaiche, 2018) Năm 2017, công ty công nghệ Google, Intel, IBM đồng loạt mắt máy tính lượng tử 50-qubit; tháng 3/2018, Google cho đời mẫu máy 72-qubit Hai quốc gia Trung Quốc Nga riết tham gia vào đua với khoản đầu tư lớn, đặc biệt Trung Quốc chi hơn 10 tỉ USD cho nghiên cứu công nghệ tính tốn lượng tử (Dink, 2018) Tháng 12/2017, IBM lộ việc nghiên cứu máy tính lượng tử 50-qubit trạng thái lượng tử 90 micro giây Tiếp theo, đến tháng 7/2018, Intel thông báo thiết kế chế tạo chip lượng tử siêu dẫn Thời điểm này, nhà nghiên cứu Google IBM nhắm đến điện toán lượng tử giai đoạn mở đầu thời điểm ví “vượt trội lượng tử”, điện tốn lượng tử vượt trội so với điện toán cổ điển Vào tháng năm 2018, Google mắt kỷ lục việc tạo chip lượng tử 72-qubit, có tên “Bristlecone” (Google, 2019) Nó đóng vai trị thử nghiệm cho nghiên cứu tỷ lệ lỗi hệ thống khả mở rộng công nghệ qubit Google Tuy nhiên, nhà khoa học lạc quan cách thận trọng, việc sớm đạt “vượt trội lượng tử” (Hoàng Thu Thảo, 2020) Sau đó, đến tháng 12/2018, đạo luật sáng kiến lượng tử quốc gia Mỹ thông qua, thiết lập mục tiêu ưu tiên cho kế hoạch 10 năm nhằm tăng tốc độ nghiên cứu, phát triển điện toán lượng tử cho kinh tế an ninh quốc gia (NBC News, 2019) Vào tháng 2/2019, IBM cơng bố máy tính lượng tử 20-qubit thương mại sử dụng bên ngồi phịng thí nghiệm với tên gọi “IBM Q System One”, kết hợp phận điện toán lượng tử với cơng nghệ điện tốn để sử dụng cho ứng dụng nghiên cứu kinh doanh (E-Spin, 2018) Mặc dù “IBM Q System One” kích thước cồng kềnh, “IBM Q System One” xem bước tiến lớn việc thương mại hóa điện toán lượng tử Hệ thống quan trọng việc mở rộng điện toán lượng tử vươn khỏi phịng thí nghiệm (IBM Research, 2020) IBM cung cấp cơng cụ điện tốn lượng tử mã nguồn mở cho việc thử nghiệm, học tập, nghiên cứu, phát triển ứng dụng lượng tử thực tế (Quantum Steve, 2020 a) Ngày 23 tháng 10 năm 2019, Google tuyên bố táo bạo chế tạo thành chip máy tính lượng tử mạnh mẽ có tên Sycamore Cơng ty nói Sycamore thực phép tính cụ thể 200 giây (hoặc ba phút 20 giây), điều khiến siêu máy tính Summit - mạnh giới - hoàn thành khoảng 10.000 năm Đây sở để nhóm nghiên cứu khẳng định kết nghiên cứu đạt ưu lượng tử (William Coffeen Holton, 2020) Giải thưởng “quyền tối cao lượng tử” máy tính đạt điều mà máy tính cổ điển cần nhiều, lâu để hồn thành Máy tính Google, gọi Sycamore, có 54 qubit siêu dẫn kèm theo, 53 số báo cáo hoạt động trình thử nghiệm Tuy nhiên, đạt ưu lượng tử Bất chấp thành tích đạt 45 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NAM CẦN THƠ Tạp chí Khoa học Kinh tế phát triển số 12 được, nhiều chuyên gia cho sớm để ăn mừng (Trần Triệu Phú, 2011) Mặc dù Sycamore thành công thực nhiệm vụ này, có khả đào tạo để xử lý nhiệm vụ đó, có nghĩa khơng thành cơng nhiệm vụ khác mà khơng đào tạo để xử lý Báo cáo khoa học thành tựu đăng tạp trí Nature Báo cáo tín hiệu báo trước trỗi dậy mạnh mẽ loại máy tính lượng tử tương lai Những cỗ máy tính lượng tử có khả lưu trữ xử lý thơng tin nhiều nhiều so với máy tính cổ điển, mà cụ thể siêu máy tính (Quantum Steve, 2020 b) Một số nhà vật lý từ IBM - nhóm điều hành Summit khơng tin thiết bị cơng ty tìm kiếm tính tốn xác, đồng thời cho Google dùng "mánh khóe" để đạt Ưu lượng tử Bên cạnh đó, hãng khẳng định Summit giải tốn mà nhóm Google đưa 2,5 ngày, chí nhanh có chuẩn bị, đồng thời bác bỏ số 10.000 năm Google nêu lên báo cáo khoa học (Bảo Lâm, 2019) Nếu xác minh, cỗ máy Google trở thành máy tính mạnh giới, với khả thực 20.000 petaflop kiểm tra toán học Linpack (mỗi petaflop thực nghìn tỷ phép tính giây), cao nhiều so với 148,6 petaflop Summit (Emily Conover, 2020) Những khó khăn hướng phát triển Vào tháng 10 năm 2019, nhà nghiên cứu Google tuyên bố hào hứng máy tính lượng tử phơi thai họ giải vấn đề áp đảo siêu máy tính tốt (FPT TechInsight, 2020) Một số người cho biết cột mốc này, gọi quyền tối cao lượng tử, đánh dấu buổi bình minh thời đại điện toán lượng tử Tuy nhiên, Greg Kuperberg, nhà toán học Đại học California, Davis, người chuyên tính tốn lượng tử, khơng ấn tượng Anh mong đợi Google hướng đến mục tiêu hào nhống anh nói, quan trọng nhiều (HTV Tin Tức, 2019) Cho dù tính tốn thuế bạn hay làm cho Mario nhảy qua hẻm núi, máy tính bạn hoạt động kỳ diệu cách điều khiển chuỗi bit dài đặt thành Ngược lại, máy tính lượng tử sử dụng bit lượng tử qubit, lúc, tương đương với việc bạn ngồi hai đầu ghế dài lúc (Thế Giới Tương Lai, 2019) Được nhúng ion, photon mạch siêu dẫn nhỏ, trạng thái hai chiều mang lại sức mạnh cho máy tính lượng tử Nhưng chúng mỏng manh, tương tác nhỏ với môi trường xung quanh làm biến dạng chúng Vì vậy, nhà khoa học phải học cách sửa lỗi Kuperberg mong đợi Google thực bước quan trọng để đạt mục tiêu “Tơi coi tiêu chuẩn phù hợp hơn”, anh nói Nếu số chuyên gia đặt câu hỏi tầm quan trọng thử nghiệm ưu lượng tử Google, tất nhấn mạnh tầm quan trọng việc sửa lỗi lượng tử Chad Rigetti, nhà vật lý đồng sáng lập Rigetti Computing, cho biết: “Đó thực sự khác biệt 46 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NAM CẦN THƠ Tạp chí Khoa học Kinh tế phát triển số 12 máy tính lượng tử trị giá 100 triệu la, 10.000 qubit, máy tạo tiếng ồn ngẫu nhiên hay máy tính mạnh giới Và tất đồng ý với Kuperberg bước đầu tiên: truyền bá thơng tin mã hóa thơng thường qubit hỗn loạn số nhiều người số chúng theo cách trì thơng tin tiếng ồn làm xáo trộn qubit bên Scott Aaronson, nhà khoa học máy tính Đại học Texas, Austin, giải thích: “Bạn cố gắng đóng tàu giống tàu, ván mục nát phải thay (Phương Hoa, 2015) Các nhà lãnh đạo ban đầu lĩnh vực điện toán lượng tử Google, Rigetti IBM đào tạo tầm nhìn họ mục tiêu Hartmut Neven, người đứng đầu phịng thí nghiệm Trí tuệ nhân tạo lượng tử Google cho biết: “Đó rõ ràng cột mốc quan trọng (nguoivietphone, 2018 a) Jay Gambetta, người lãnh đạo nỗ lực tính tốn lượng tử IBM, cho biết, “Trong vài năm tới, bạn thấy loạt kết đưa để giải việc sửa lỗi.” (ExplainingComputers, 2020) Các nhà vật lý bắt đầu thử nghiệm sơ đồ lý thuyết họ thí nghiệm nhỏ, thách thức lớn Để chứng minh tính tối cao lượng tử, nhà khoa học Google phải vượt qua 53 qubit Để mã hóa liệu qubit với đủ độ trung thực, họ cần phải nắm vững 1000 số (nguoivietphone, 2018 b) Kết luận Như thảo luận trên, thách thức vật liệu, chế tạo đo lường quan trọng phải vượt qua để chứng minh cổng qubit chí máy tính lượng tử tơpơ Tuy nhiên, khả thực cổng có độ trung thực cực cao mà không yêu cầu sửa lỗi, yêu cầu sửa lỗi ít, động lực mạnh mẽ để theo đuổi phương pháp này, phần thách thức nảy sinh việc thực sửa lỗi lượng tử phần kích thước xử lý cần thiết nhỏ nhiều so với kích thước cần thiết cho kiến trúc sửa lỗi Bất chấp khó khăn nêu trên, công ty quốc gia đầu tư nhiều tiền vào điện toán lượng tử Trung Quốc phát triển sở nghiên cứu lượng tử trị giá 10 tỷ USD, Liên minh Châu Âu phát triển kế hoạch tổng thể lượng tử trị giá tỷ Euro Đạo luật Sáng kiến Lượng tử Quốc gia Hoa Kỳ cung cấp 1,2 tỷ đô la để thúc đẩy khoa học thông tin lượng tử khoảng thời gian năm Việc phá vỡ thuật tốn mã hóa yếu tố thúc đẩy mạnh mẽ nhiều quốc gia - họ làm điều thành cơng, mang lại cho họ lợi trí tuệ to lớn Nhưng khoản đầu tư thúc đẩy nghiên cứu vật lý Nhiều công ty thúc đẩy xây dựng máy tính lượng tử, bao gồm Intel Microsoft với Google IBM Các công ty cố gắng xây dựng phần cứng chép mơ hình mạch máy tính cổ điển Tuy nhiên, hệ thống thí nghiệm có 100 qubit Để đạt hiệu suất tính tốn hữu ích, bạn cần máy có hàng trăm nghìn qubit 47 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NAM CẦN THƠ Tạp chí Khoa học Kinh tế phát triển số 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Emily Conover (2020) The new light-based quantum computer Jiuzhang has achieved quantum supremacy, nguồn từ URL: , xem ngày 11/01/2021 [2] Fred Bellaiche (2018) An update on quantum computing and complexity classes, URL: , xem ngày 11/01/2021 [3] William Coffeen Holton (2020) Quantum computer, nguồn từ URL: , xem ngày 13/01/2021 [4] Roger Highfield (2019) QUANTUM COMPUTING: MYTHS MISCONCEPTIONS, , xem ngày 12/01/2021 [5] Bảo Lâm (2019) Máy tính lượng tử gì? Quantum Computing phá vỡ bảo mật?, nguồn từ URL: , xem ngày 13/01/2021 [6] Bảo Lâm (2019) Google máy tính lượng tử tính tốn siêu nhanh, nguồn từ URL: , xem ngày 14/01/2021 [7] Dink (2018), Lần chứng minh máy tính lượng tử thực mạnh máy tính cổ điển, nguồn từ URL: , xem ngày 16/01/2021 [8] Ami Nichols (2015) Máy tính lượng tử Ran Li., nguồn từ URL: , xem ngày 20/01/2021 [9] Wires Authors (2020) Quantum computers will help us explore life, design new drugs, and more, nguồn URL:, xem ngày 19/09/2021 [10] FPT TechInsight (2020), Nếu thực hoạt động, máy tính lượng tử thay đổi giới, URL: , xem ngày 20/01/2021 [11] Phương Hoa (2015) Máy tính lượng tử nhanh gấp 100 triệu lần máy tính thường, URL: , xem ngày 18/01/2021 [12] Nguyễn Thạch Thảo (2020), Cuộc đua máy tính lượng tử, nguồn URL: , xem ngày 13/01/2021 [13] Thanh Nam (2013) Bạn biết cơng nghệ máy tính lượng tử, nguồn URL: , xem ngày 14/01/2021 [14] Trung Kiên (2020) Máy tính lượng tử gì?, đường dẫn nguồn URL: , xem ngày 21/01/2021 [15] nguoivietphone (2018), Cuộc Cách Mạng Máy Tính Tương Lai Sẽ Là Cơng Nghệ Lượng Tử, đường dẫn nguồn URL:, xem ngày 22/01/2021 48 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NAM CẦN THƠ Tạp chí Khoa học Kinh tế phát triển số 12 [16] Hoàng Thu Thảo (2020) Chế tạo máy tính lượng tử giải vấn đề, nguồn từ URL: , xem ngày 22/01/2021 [17] Trần Triệu Phú (2011) Qubit - Cơ sở máy tính lượng tử, nguồn từ URL: , xem ngày 17/01/2021 [18] Lê Huy (2018) Máy tính lượng tử (Quantum Computing) gì? Đánh giá máy tính lượng tử, nguồn URL: , xem ngày 15/01/2021 [19] TRẦN Đức Lịch (2019) Máy tính: từ điện tử đến lượng tử, URL: , xem ngày 20/01/2021 [20] Ndminhduc (2013) Máy tính lượng tử người phát triển cơng nghệ đến đâu?, URL: