ĐỀ TÀI CÁC ỨNG DỤNG CỦA CƠ HỌC LƯỢNG TỬ MÁY TÍNH LƯỢNG TỬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ĐỀ TÀI: 7 CÁC ỨNG DỤNG CỦA CƠ HỌCLƯỢNG TỬ: MÁY TÍNH LƯỢNG TỬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TÓM TẮT BÀI BÁO CÁO1 Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu về máy tính lượng tử

- Giới thiệu về nguyên lý họat động và các nội dung cơ bản về máy tính lượng tử.

- Đưa ra nhận xét chung về máy tính lượng tử trong thời đại ngày nay.

2 Phương pháp nghiên cứu

- Tham khảo tài liệu khoa học liên quan đến đề tài.

- Nghiên cứu các ứng dụng thức tế của đề tài.

- Đánh giá ưu và khuyết điểm của máy tính lượng tử.

3 Kết quả nghiên cứu

- Trình bày được các nội dung sơ lược và nguyên lý hoạt động cơ bản của máy tínhlượng tử.

- Nêu được ứng dụng của máy tính lượng tử trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

- Đưa ra những hiểu biết cơ bản về những ưu điểm và khuyết điểm của máy tính lượngtử.

- Nhận ra tầm quan trọng của cơ học lượng tử nói chung và máy tính lượng tử nóiriêng trong thời đại ngày nay.

LỜI CẢM ƠN

Chúng em cảm ơn thầy, cô đã hỗ trợ chúng em trong quá trình học tập và cung cấpkiến thức để chúng em có thể hoàn thành nội dung bài tập lớn này Trong quá trình làm bàitập lớn của chúng em có thể có nhiều sai sót nên mong thầy, cô hướng dẫn để chúng em làmtốt hơn trong những bài tiếp theo Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy, cô ạ!!!

Bên cạnh đó là cảm ơn sự nỗ lực của thành viên trong nhóm đã cố gắng hoàn thànhnội dung bài tập và đạt được kết quả tốt

LỜI NÓI ĐẦU

Nền văn minh được nâng cao cùng với việc con người phát hiện ra những cách thứcmới để khai thác các nguồn tài nguyên vật lý khác nhau như vật liệu, năng lượng, cườngđộ làm việc của con người ngày càng tăng và cần các công cụ hỗ trợ với tốc độ xử lí nhanhchóng, cùng với đó là sự phát triển vượt bậc của khoa học đã có nhiều ứng dụng trong đờisống, đặc biệt phải kể đến cơ học lượng tử Một trong những dấu ấn quan trọng của cơ họclượng tử là giải Nobel năm 2012 của hai nhà khoa học Serge Haroche - người Pháp vàDavid Wineland - người Mỹ đã cùng đạt giải Nobel Vật lý năm 2012 Hai nhà khoa học nàyđã phát minh ra phương pháp nghiên cứu các tính chất của thế giới lượng tử Từ nghiên cứunày mở ra một triển vọng mới trong việc chế tạo các máy tính có tốc độ siêu nhanh.Và đểphục vụ cho nhu cầu làm việc đòi hỏi tốc độ xử lý của máy tính ngày càng cao của conngười các nhà khoa học đã vận dụng cơ học lượng tử từ nghiên cứu của hai nhà khoa họcnày và chế tạo ra một loại máy tính có khả năng xử lý tốc độ cực cao.

Vì vậy nhóm chúng mình làm bài báo cáo này nhằm giúp các bạn hiểu rõ hơn về máytính lượng tử, nguyên lí làm việc cũng như cấu tạo của nó, những ưu điểm vượt trội của máytính lượng tử so với máy điện tử Qua bài báo cáo này, chúng tôi mong muốn bạn đọc sẽ cóthêm nhiều kiến thức bổ ích cho mình về máy tính lượng tử.

Tuy nhiên bài báo cáo vẫn còn ít thiếu sót, chúng mình rất mong nhận được những ýkiến đóng góp từ quý thầy cô và các bạn.

Trân trọng cảm ơn! 

3.2 Các trạng thái của qubit – đem lại khả năng lưu trữ thông tin vô hạn: 4

3.3 Trao đổi và xử lý thông tin giữa các qubit: 5

4.Cấu tạo và phân loại: 6

5.3 Bảo mật thông tin chặt chẽ hơn bao giờ hết 14

5.4 Tối ưu hóa mảng logistics: 15

5.5 Giải quyết ùn tắc giao thông 16

5.6 Mô phỏng phân tử 17

6.Đánh giá chung và cuộc chạy đua máy tính lượng tử 17

6.1 Đánh giá chung 17

6.2 Cuộc chạy đua của máy tính lượng tử: 18

7.Tìm hiểu về máy tính lượng tử của hãng D-Wave: 20

8.Đánh giá ưu, nhược điểm của máy tính lượng tử: 21

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Max Plank - cha đẻ của thuyết Lượng tử 2

Hình 3.1: Giới thiệu Qubit 4

Hình 4.1: Máy tính lượng tử của Google 7

Hình 4.2: Phân loại máy tính lượng tử 7

Hình 4.2.1a: Mô hình hoạt động của bẫy ion và bẫy ion thực tế 8

Hình 4.2.1b: Bẫy Paul tuyến tính cổ điển ở Innsbruck cho chuỗi ion Canxi 8

Hình 4.2.2a: Máy tính lượng tử cộng hưởng từ hạt nhân 9

Hình 5.5: Ứng dụng trong giải quyết ùn tắc giao thông 16

Hình 5.6: Ứng dụng trong mô phỏng phân tử 16

Hình 7: Máy tính lượng tử hãng D-Wave 21

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu đề tài

Cơ học lượng tử là một lĩnh vực của vật lý học nghiên cứu về hành vi của vậtchất và năng lượng ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử Nó khác với cơ học cổ điển ởchỗ nó cho phép các hiện tượng như sự chồng chất và sự vướng víu, điều này khôngthể giải thích được bằng cơ học cổ điển.

Máy tính lượng tử là một loại máy tính sử dụng các nguyên tắc của cơ họclượng tử để thực hiện các phép tính Chúng khác với máy tính cổ điển ở chỗ chúng cóthể thực hiện các phép tính trên nhiều giá trị cùng một lúc, điều này khiến chúng trởnên nhanh hơn nhiều cho một số loại bài toán nhất định.

Nguyễn Thanh Tú 2313795 Nghiên cứu nội dung đề tàiNguyễn Thị Ngọc Tú 2313797 Soạn bản báo cáo

Nguyễn Tiến Dũng 2310564 Soạn bản báo cáoNguyễn Tiến Hiển 2310999 Nghiên cứu đề tàiNguyễn Trần Phi Hùng 2311300 Soạn bản báo cáo

CHƯƠNG II: NỘI DUNG

1 Cơ học lượng tử

Cơ học lượng tử (Quantum mechanics) là một lý thuyết cơ bản trong vật lý họcmiêu tả lại các tính chất vật lý của tự nhiên ở cấp độ nguyên tử và hạt hạ nguyên tử.Cơ học lượng tử được hình thành vào nửa đầu thế kỷ 20 do Max Plank, AlbertEinstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli và một số người khác tạonên Cơ học lượng tử là phần mở rộng và bổ sung của cơ học Newton (còn gọi là cơhọc cổ điển).

Nó là cơ sở của rất nhiều các chuyên ngành khác của vật lý và hóa học như vậtlý chất rắn, hóa lượng tử, vật lý hạt Khái niệm lượng tử để chỉ một số đại lượng vật lýnhư năng lượng không liên tục mà rời rạc Với nhiều ứng dụng thực tế nổi bật.

Ứng dụng của cơ học lượng tử là cơ sở của rất nhiều các chuyên ngành kháccủa vật lý và hóa học như vật lý chất rắn, hóa lượng tử, vật lý hạt Cơ học lượng tửcho phép tính toán các tính chất và hành xử của các hệ thống vật lý, thường được ápdụng cho các hệ thống vi mô: phân tử, nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử Hiện nay,các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các phương pháp can thiệp vào các trạng thái lượngtử, ví dụ là mật mã lượng tử cho phép truyền thông tin một cách an toàn Mục đích xahơn là phát triển các máy tính lượng tử, có thể thực hiện các tính toán nhanh hơn cácmáy tính hiện nay rất nhiều lần.

Hình 1: Max Plank - cha đẻ của thuyết Lượng tử

2 Máy tính lượng tử:2.1 Khái niệm:

Máy tính lượng tử trong tiếng Anh là Quantum Computing, là một lĩnh vựcmáy tính tập trung vào việc phát triển công nghệ máy tính dựa trên các nguyên tắc củalí thuyết lượng tử, giải thích tính chất của năng lượng và vật chất ở cấp độ nguyên tửvà hạ nguyên tử “Máy tính lượng tử là một thiết bị tính toán dựa trên ứng dụng của cơhọc lượng tử”.

Trong máy tính lượng tử, dữ liệu không được xử lý bởi điện tử đi qua transistornữa, mà xử lý bởi các nguyên tử được “giam giữ” với tên gọi là quantum bit hayQubits Máy tính lượng tử có phần cứng khác hẳn với máy tính thông thường

Một trong các mô hình lý thuyết về máy tính lượng tử là máy Turing lượng tửhay còn gọi là máy tính lượng tử phổ dụng Máy tính lượng tử có những đặc điểm lýthuyết chung với máy tính phi tất định (non-deterministc) và máy tính xác suất(probabilistic automaton computer), với khả năng có thể đồng thời ở trong nhiều trạngthái

Sự phát triển của máy tính lượng tử thực tế vẫn còn ở giai đoạn sơ khai, nhưngcác thí nghiệm đã được thực hiện trên một số lượng rất nhỏ các bit lượng tử Máy tính

lượng tử được cho là có tiềm năng nhanh hơn và mạnh hơn nhiều lần so với máy tínhngày nay Krysta Svore, giám đốc chính bộ phận nghiên cứu của Microsoft đã nóirằng: “Những vấn đề mà chúng ta phải mất hàng tỉ năm để tính toán giải quyết theokiểu cổ điển, với máy tính lượng tử, chỉ cần vài ngày hoặc vài tuần”

3 Nguyên lý hoạt động:

Nguyên lý hoạt đông của máy tính lượng tử là sử dụng trực tiếp các hiệu ứngcủa cơ học lượng tử như tính chồng chập và rối lượng tử để thực hiện các phép toántrên dữ liệu đưa vào Trong máy tính lượng tử, dữ liệu không đòi hỏi phải được mãhóa thành các chữ số nhị phân mà sử dụng các qubit (bit lượng tử) ở trong trạng tháichồng chập lượng tử để thực hiện tính toán lượng tử.

3.1 Vậy, Qubit là gì?

Hình 3.1: Giới thiệu Qubit

Máy tính lượng tử thực hiện hoạt động với các qubit (Quantum bit hay còn gọilà bit lượng tử) thay vì các bit nhị phân như máy tính thông thường mà chúng ta sửdụng Qubit mở ra tiềm năng cho máy tính lượng tử thông qua các thuật toán phức tạpvà thực hiện các phép tính nhanh và nhiều hơn so với các hệ thống mà chúng ta hiệnđang sử dụng

Bit là đơn vị cơ bản của thông tin cổ điển Mỗi bit chỉ có thể nhận một tronghai giá trị là 0 hoặc 1 Có thể hiểu mỗi bit là trạng thái “đóng” hoặc “mở” của transitorhoặc được biểu diễn bằng mũi tên chỉ lên hoặc chỉ xuống Qubit là đơn vị của thông

tin lượng tử Thông tin đó miêu tả một hệ cơ học lượng tử có hai trạng thái cơ bản.Một trạng thái qubit thuần túy là chồng chập lượng tử tuyến tính của hai trạng thái cơbản trên Điều này khác với bit của thông tin cổ điển, chỉ nhận một trong hai giá trị 0hoặc 1, nhờ đó sức mạnh tính toán của máy tính lượng tử trở nên vượt trội và khảnăng mang thông tin vô hạn.

3.2 Các trạng thái của qubit – đem lại khả năng lưu trữ thông tin vôhạn:

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 cáctrạng thái đó mà nó còn nhận giá trị chồng chập là sự tổ hợp tuyến tính của 2 trạngthái đó: |P> = a|0> + b|1>

Với a, b là các hằng số tỉ lệ với cường độ cửa trạng thái tổi hợp ứng với trạngthái cơ bản tương ứng

Chú ý rằng, theo điền kiện chuẩn hóa, ta có |a|2 + |b|2 = 1.

Theo hệ thức đó, ta thấy rằng, không gian trạng thái tổ hợp |P> của một đơnqubit 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 củaqubit Mà mặt cầu thì có vô hạn điểm, do đó, ta thấy ngay khả năng biểu diễn thôngtin lượng tử lên đến vô hạn chứ không phải chỉ là 0 hoặc 1 như bit cổ điển

3.3 Trao đổi và xử lý thông tin giữa các qubit:

Chúng ta biết rằng mỗi qubit đều mang thông tin lượng tử Và thông tin đượctrao đổi qua lại giữa các qubit Do đó, một trong các lĩnh vực mới là tìm hiểu cơ chếtrao đổi thông tin giữa các qubit và cách xử lý thông tin thu được.

Sự khác biệt của qubit so với bit cổ điển, không chỉ ở sự biến thiên giá trị liêntục thông qua chồng chập lượng tử, mà còn ở chỗ cùng một lúc nhiều qubit có thể tồntại và tương tác với nhau qua hiện tượng rối lượng tử Sự rối này có thể xảy ra ởkhoảng cách vĩ mô giữa các qubit, cho phép chúng thể hiện các chồng chập cùng lúccủa nhiều dãy ký tự (ví dụ chồng chập 01010 và 11111) Tính chất “song song lượngtử” này là thế mạnh cơ bản của máy tính lượng tử

Thông tin của máy tính lượng tử được mô tả bởi tập các qubit Quá trìnhchuyển từ trạng thái đầu tiên của các qubit đến trạng thái cuối sẽ được mô tả bởi mộtma trận tác động lên hàm sóng của các qubit

Bằng việc giải các tích phân chuyển động đối với ma trận mật độ này, áp dụngcác phép tính gần đúng, người ta đã thấy rằng sự biểu diễn trạng thái trên một qubit tựdo còn chịu ảnh hưởng của các trạng thái của qubit khác Thành lập cụ thể các phươngtrình này sẽ cho cơ chế truyền thông tin của các qubit.

4 Cấu tạo và phân loại:4.1 Cấu tạo:

Phần bên ngoài của máy tính lượng tử có hình dạng giống như một cây đènchùm khổng lồ Các chuyên gia thì lại gọi cùng một cái tên là kiến trúc đèn chùm Cấutrúc máy tính lượng tử dựa trên máy tính nhưng nó sẽ khác về khả năng di chuyển củacác Qubit

Máy tính lượng tử sẽ sẽ bao gồm một nhân trung tâm là một siêu chip lượng tử,xung quanh siêu chip này sẽ đặt các Qubit và sắp xếp theo dạng một bàn cờ Nhiệm vụcủa máy tính lượng tử là thực hiện các tác vụ phức tạp có chứa những biến đỗi ngẫu

nhiên nên việc thiết kế các Qubit cũng rất đặc biệt Các Qubit phải đáp ứng được khảnăng di chuyển tự do trên mạch dưới dạng một bàn cờ

Để làm được việc đó, các nhà khoa học đã cho các Qubit ở trong một môitrường với hình dạng giống như một cái tủ lạnh, các nhà khoa học để vào trong đó mộthỗn hợp gọi là helium hóa lỏng đặc biệt Tác dụng của chất này là làm mát các chiplượng tử, và đưa chúng về độ không tuyệt đối, đó là một môi trường được cho là cónhiệt độ lạnh nhất.

Hình 4.1: Máy tính lượng tử của Google

4.2 Phân loại:

Hiện nay, máy tính lượng tử gồm có 4 loại chính:

- Máy tính lượng tử bẫy ion (Trapped ion)

- Máy tính lượng tử cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear magnetic resonance).- Máy tính lượng tử bán dẫn (Semiconductors)

- Máy tính lượng tử quang tuyến tính (Linear optics).

Hình 4.2: Phân loại máy tính lượng tử

4.2.1 Máy tính lượng tử bẫy ion (Trapped ion):

Ion, hay các hạt nguyên tử tích điện, có thể được giới hạn và lơ lửng trongkhông gian tự do sử dụng điện từ trường Qubit được lưu trữ trong các trạng thái điệntử ổn định của mỗi ion, và thông tin lượng tử có thể được chuyển qua các chuyểnđộng lượng tử chung của các ion trong một bẫy được chia sẻ (tương tác thông qua cáclực Coulomb) Các hoạt động cơ bản của một máy tính lượng tử đã được chứng minhbằng thực nghiệm với độ chính xác cao nhất hiện nay trong hệ thống ion bị bẫy.

Máy tính lượng tử bẫy ion là máy tính lượng tử sử dụng bẫy ion do IgnacioCirac và Peter Zoller đưa ra vào năm 1995 Máy tính lượng tử bẫy ion đã tạo ra sự tiếnbộ lớn trong lĩnh vực này và đã được thực hiện trong nhiều thập kỷ qua Hiện nay, cácion bị bẫy vẫn là một tiêu điểm và là nội dung hàng đầu cho tính toán lượng tử.

Hình 4.2.1a: Mô hình hoạt động của bẫy ion và bẫy ion thực tế

Hình 4.2.1b: Bẫy Paul tuyến tính cổ điển ở Innsbruck cho chuỗi các ion Canxi

4.2.2 Máy tính lượng tử cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear magneticresonance):

Cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance – NMR) là hiện tượngmột hạt nhân nguyên tử nằm trong từ trường hấp thu hoặc phát xạ một bức xạ điện từ.Cộng hưởng từ hạt nhân cũng được xem là một nhóm các phương pháp khoa học ápdụng cộng hưởng từ hạt nhân vào việc nghiên cứu các phân tử.

Máy tính lượng tử cộng hưởng từ hạt nhân sử dụng sự xoay quanh hạt nhân củacác phân tử trong một chất lỏng làm qubit, các hoạt động được thực hiện bằng kỹthuật cộng hưởng từ hạt nhân Sự truyền tải thông tin thông qua tương tác xoay Ưuđiểm lớn nhất của máy tính lượng tử này là thời gian khá dài (cỡ giây) Nhược điểmchính là khó tách tín hiệu khỏi nhiễu khi có nhiệt độ cao.

Hình 4.2.2a: Máy tính lượng tử cộng hưởng từ hạt nhân

Hình 4.2.2b: Một mẫu NMR điển hình

4.2.3 Máy tính lượng tử bán dẫn (Semiconductors):

Có một số loại qubit tạo ra dựa trên chất bán dẫn Một trong những loại phổbiến nhất là qubit siêu dẫn, sử dụng các điểm nối Josephson được làm từ màng mỏngvật liệu siêu dẫn trên đế bán dẫn Một loại khác là qubit ion bị bẫy, sử dụng các ion bịgiữ lại trong buồng chân không và được điều khiển bằng tia laser được dẫn hướngbằng quang học dựa trên chất bán dẫn Qubit liên kết (Topological Qubit) là một loạiqubit khác dựa trên vật liệu bán dẫn có các đặc tính liên kết đặc biệt giúp chúng cókhả năng chống lỗi.

Sau khi qubit được tạo ra, chất bán dẫn cũng được sử dụng để điều khiển vàthao tác chúng Điều này đạt được thông qua việc sử dụng các xung tần số vô tuyến vàvi sóng được gửi đến các qubit thông qua hệ thống dây dẫn dựa trên chất bán dẫn Cácxung này có thể được sử dụng để thiết lập trạng thái của qubit hoặc làm vướng nó vớicác qubit khác, đây là một bước quan trọng trong việc thực hiện các phép tính lượngtử.

Máy tính lượng tử bán dẫn là loại máy tính được nhiều nhóm tập trung nghiêncứu với hy vọng sử dụng được các thành tựu của nền công nghiệp bán dẫn hiện nay vàcông nghệ nano trong tương lai gần Có hai loại máy tính lượng tử bán dẫn chính, đólà:

- Máy tính lượng tử bán dẫn xoay (spin): các qubit là các trạng thái xoay củađiện tử

- Máy tính lượng tử bán dẫn quang: sử dụng các trạng thái phân cực của photonlàm qubit.