Khi các nhà khoa học và kỹ sư gặp phải vấn đề khó khăn, họ tìm đến siêu máy tính. Đây là những máy tính cổ điển rất lớn, thường có hàng nghìn lõi CPU và GPU cổ điển có khả năng chạy các phép tính rất lớn và trí tuệ nhân tạo tiên tiến phải mất rất nhiều thời gian để giải quyết. Các nhà khoa học của MercedesBenz sử dụng máy tính lượng tử để môphỏng quá trình chuyển đổi năng lượng trong pin để thiết kế ra các loại pin có hiệu năng tốt hơn, sạc nhanh hơn để cung cấp cho các loại xe điện. Trường hợp khác, các nhà khoa học cần tính toán định tuyến cho các tàu chở hàng hay cung cấp dịch vụ tính toán cho các xe vận chuyển,
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TIỀU LUẬN Các vấn đề đại Kỹ thuật máy tính Đề tài: Quantum Computing Sinh viên: Lê Thanh Hiếu Mã sinh viên: 19020545 I Mở đầu: Đặt vấn đề: - - - Khi nhà khoa học kỹ sư gặp phải vấn đề khó khăn, họ tìm đến siêu máy tính Đây máy tính cổ điển lớn, thường có hàng nghìn lõi CPU GPU cổ điển có khả chạy phép tính lớn trí tuệ nhân tạo tiên tiến phải nhiều thời gian để giải Các nhà khoa học Mercedes-Benz sử dụng máy tính lượng tử để mơ q trình chuyển đổi lượng pin để thiết kế loại pin có hiệu tốt hơn, sạc nhanh để cung cấp cho loại xe điện Trường hợp khác, nhà khoa học cần tính tốn định tuyến cho tàu chở hàng hay cung cấp dịch vụ tính tốn cho xe vận chuyển, … Lý thuyết liên quan: 2.1 Máy tính lượng tử gì? - Máy tính lượng tử loại máy tính sử dụng học lượng tử để thực phép tính Điều quan trọng máy tính lượng tử khác biệt với máy tính cổ điển, nơi thơng tin biểu diễn dạng bit có giá trị Trái ngược với đó, máy tính lượng tử sử dụng qubit (quantum bit), đơn vị thông tin tồn nhiều giá trị lúc nguyên tắc siêu đặc (superposition) - Các qubit có khả tồn trạng thái 0, trạng thái hai trạng thái đồng thời Điều mang lại khả xử lý thơng tin đồng thời thực nhiều phép tính cách hiệu so với máy tính cổ điển số trường hợp - Máy tính lượng tử sử dụng hai nguyên tắc siêu đặc (superposition) entanglement (liên kết) để thực phép tính Siêu đặc cho phép qubit tồn nhiều trạng thái lúc, entanglement cho phép liên kết qubit, giúp chúng tương tác với cách đặc biệt qua mạng lượng tử - Bit Qubit (Quantum Bit) Một bit trạng thái 1, qubits có khả tồn trạng thái 0, trạng thái hai trạng thái đồng thời đó, tập hợp qubits biểu diễn số lượng giá trị lớn đáng kể so với đối tác bit cổ điển chúng Nói cách khác, qubit đơn mơ tả tổ hợp tuyến tính |0⟩ |1⟩, biểu thị sau: o ψ = α|0⟩ + β |1⟩ o Ở α β biên độ xác xuất số phức với : 2 o α +β = 2.2 Nguyên tắc máy tính lượng tử (Nguyên tắc siêu đặc (superposition) liên kết (entanglement)) - Nguyên tắc siêu dặc (Superposition) cho phép qubit tồn nhiều trạng thái lúc Trong bit truyền thống mang giá trị 1, qubit tồn hai giá trị đồng thời Do đó, n qubits biểu diễn 2n trạng thái đồng thời Do đó, tạo siêu đặc 2n trạng thái đầu vào xử lý cách liền mạch để giải vấn đề mà máy tính cổ điển cần 2n bước - Nguyên tắc entanglement mơ tả trạng thái hai hay nhiều hạt lượng tử trở nên chặt chẽ liên kết với Khi entangled, tồn mối liên kết mạnh mẽ xảy hạt lượng tử — mạnh đến mức, hai hạt lượng tử liên kết khơng thể tách rời cách hoàn hảo, chúng tách rời khoảng cách lớn Điều Albert Einstein đưa vào năm 1935 Các hạt kết nối cách tự nhiên đến mức nói "nhảy múa" (dance) cách tạm thời, hồn hảo hịa quyện đặt hai đầu xa vũ trụ Mối liên kết kỳ lạ khích lệ Einstein mô tả rối "hành động ma quái từ xa" (spooky action at a distance) Nguyên tắc Entanglement có vai trò quan trọng việc xây dựng cổng lượng tử thực phép tính lượng tử Nó sở cho việc triển khai ứng dụng việc truyền thông lượng tử máy tính lượng tử o Giả sử cho A B hai hệ thống độc lập khơng gian Hilbert tương ứng biểu diễn sau: 𝐻𝐴 ⊗ 𝐻𝐵 o Hệ thống trạng thái |ψ⟩𝐴, tương tự, hệ thống thứ hai trạng thái |ψ⟩𝐵, phương trình sau: |ψ⟩𝐴⊗ |ψ⟩𝐵 o Các vector sở chúng |0⟩𝐴 |1⟩𝐵cho hệ thống A tương tự vector |0⟩𝐵 |1⟩𝐵là trạng thái sở cho hệ thống B Dưới trạng thái liên kết: - Nhờ tính chất siêu đặc (superposition), qubits tồn nhiều trạng thái lúc dẫn đến thực phép tính, máy tính lượng tử xử lý nhiều giả định đồng thời thuật tốn lượng tử , từ làm tăng hiệu lượng máy tính lượng từ II Nội dung: Các vấn đề gặp phải máy tính lượng tử: 1.1 Khả Năng Nhiễu Lộ Qubits: - Một thách thức lớn máy tính lượng tử giữ cho qubits ổn định trạng thái siêu vị Hiện tại, nhiễu lộ (decoherence) vấn đề lớn, ảnh hưởng đến khả tính tốn xác máy tính 1.2 Khả Năng Mở Rộng Hệ Thống: - Việc mở rộng kích thước hệ thống lượng tử thách thức Ngày nhiều qubits thêm vào hệ thống, điều đặt vấn đề kiểm soát tương tác chúng 1.3 Nghiên Cứu Vật Liệu Hóa Học: - Máy tính lượng tử đơi yêu cầu lượng lớn để trì trạng thái lượng tử qubits Ngồi ra, q trình làm mát thách thức đặc biệt xây dựng hệ thống lớn 1.4 Thuật Toán Ứng Dụng Thực Tiễn: - Phát triển thuật toán lượng tử hiệu cho ứng dụng thực tế thách thức Một số vấn đề tối ưu hóa, mơ vật liệu, dự đốn phản ứng hóa học đòi hỏi sáng tạo việc phát triển thuật toán 1.5 Phối Hợp Hệ Thống Lượng Tử Hệ Thống Cổ Điển: - Làm để tối ưu hóa kết hợp máy tính lượng tử máy tính cổ điển để đạt hiệu suất tốt thách thức ứng dụng phức tạp Nội dung nghiên cứu máy tính lượng tử: 2.1 Cổng lượng tử: Thường thì, máy tính lượng tử thực thông qua mạch lượng tử bao gồm cổng lượng tử Một cổng lượng tử mô tả bước thời gian rời rạc tiến hóa hệ thống lượng tử đóng Một cổng lượng tử tác động lên đăng ký lượng tử bao gồm n qubits mô tả thuận tiện ma trận đơn 2n × 2n; tức là, ma trận đơn vị phức U cho U U† ma trận đơn vị, U† đại diện cho Hermitian conjugate (hoặc conjugate transpose) U; tức là, phần tử (i, j) U† phức liên hợp phần tử (j,i) U Nếu trạng thái đăng ký lượng tử cho bởi: ( )2𝑛−1 ⅈ,𝑗=0 𝑈 = 𝑢𝑖𝑗 - cổng lượng tử kết việc thực U |ψ trạng thái - U|ψ tính theo phép nhân ma trận thơng thường; 𝑛 - với i = 0, 1, , − Một cổng qubit đơn hữu ích cổng Hadamard: - Giả sử Ui cổng hoạt động ghi thứ i cho