Tính toán lượng tử và vấn đề mô phỏng trên máy tính truyền thống

Tính toán lượng tử và vấn đề mô phỏng trên máy tính truyền thống 1.1. Sơ bộ Sự ra đời của máy tính điện tử giữa thế kỉ XX đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong sự phát triển của xã hội nói chung cũng như của khoa học tính toán nói riêng. Thế nhưng đã xuất hiện những vấn đề mà máy tính điện tử không thể giải quyết được với thời gian thực. Sự ra đời của vật lí lượng tử đầu thế kỉ XX đã tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực vật lí....
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tính toán lượng tử và vấn đề mô phỏng trên máy tính truyền thống 1 Chương 1. Tính toán lượng tử và vấn đề mô phỏng trên máy tính truyền thống 1.1. Sơ bộ Sự ra đời của máy tính điện tử giữa thế kỉ XX đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong sự phát triển của xã hội nói chung cũng như của khoa học tính toán nói riêng. Thế nhưng đã xuất hiện những vấn đề mà máy tính điện tử không thể giải quyết được với thời gian thực. Sự ra đời của vật lí lượng tử đầu thế kỉ XX đã tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực vật lí. Từ những quan niệm về vật chất theo cơ học cổ điển Newton, chúng ta phải suy nghĩ theo những quan niệm hoàn toàn mới theo cơ học lượng tử. Khác với quan niệm một hạt tại một thời điểm bất kì luôn ở trong một trạng thái xác định, trong cơ học lượng tử, có những hạt mà tại một thời điểm có thể tồn tại ở hai hay nhiều trạng thái khác nhau, hứa hẹn khả năng biểu diễn thông tin khổng lồ. Hai nhà bác học, Benioff và Feynman, đã nhìn thấy trước qua vật lý lượng tử một mô hình tính toán mới, mà nền tảng của nó dựa hoàn toàn vào sự bí ẩn của cơ học lượng tử [5]. Mô hình đó gắn liền với một mô hình máy tính mới, đó là máy tính lượng tử. Mặc dầu cần phải trải qua thời gian nữa những chiếc máy tính lượng tử công nghiệp mới có thể ra đời, nhưng khả năng to lớn của nó đã được khẳng định. Với nền tảng của vật lý lượng tử, khả năng truyền thông tin trên cơ sở bit lượng tử, tốc độ tính toán nhanh kỳ lạ để phá các hệ mật nổi tiếng hiện đại như RSA, logarit rời rạc [13], tìm kiếm cơ sở dữ liệu không sắp xếp trước [6], khả năng chứa đựng thông tin cực lớn của cả một thư viện hiện đại trong một đĩa CD,... khiến nhiều chuyên gia dự báo sự ra đời của máy tính lượng tử công nghiệp trong vòng 20 năm tới sẽ như quả bom hạt nhân không chỉ trong lĩnh vực công nghệ thông tin mà trong toàn bộ các lĩnh vực của xã hội, mà hệ quả đầu tiên sẽ là sự sụp đổ của các hệ thống bảo mật hiện đại trên thế giới dùng hệ mã RSA như: hệ thống bảo mật thương mại điện tử, thư tín điện tử, các hệ thống bảo mật quốc gia,…Như vậy vấn đề lý thuyết bảo mật lượng tử cần được xúc tiến nghiên cứu ngay từ bây giờ. Chính vì tiềm năng to lớn của máy tính lượng tử, lý thuyết về tính toán lượng tử hiện nay đang được phát triển rộng khắp trên thế giới. Nhiều quốc gia phát triển đang ráo riết đầu tư cho dự án nghiên cứu chế tạo máy tính lượng tử và phát triển các thuật toán, mô hình tính toán (otomat lượng tử, máy Turing lượng tử..). Nhiều trung tâm nghiên cứu trên thế giới đã xuất hiện những labo nghiên cứu về lĩnh vực này với sự đầu tư lên tới hàng tỉ USD như tại IBM. Tháng 11 năm 2001, IBM đã công bố thí nghiệm thành công việc chế tạo máy tính lượng tử 7-qubit, điều đó chỉ ra rằng, việc chế tạo những chiếc máy tính lượng tử công nghiệp chỉ còn là vấn đề thời gian. Đối với nước ta, đứng trước một lĩnh vực đầy tiềm năng nhưng cũng đầy thách thức này, câu hỏi đặt ra là: chúng ta phải làm gì để bắt kịp với sự phát triển của thế giới? Rõ ràng chúng ta không thể chờ cho đến khi máy tính lượng tử công nghiệp ra đời bởi điều gì sẽ xảy ra khi những hệ thống bảo mật của quốc gia bị phá? Chính vì vậy việc đầu tư nhân lực và tiền của vào nghiên cứu máy tính lượng tử là không thể tránh khỏi, và công việc này diễn ra càng sớm càng tốt. Tuy nhiên việc đầu tư cho một dự án nghiên cứu chế tạo máy tính lượng là không thực tế trong hoàn cảnh nước ta bởi nó đòi hỏi rất nhiều tiền của, hơn nữa nền công nghệ và vật lý của nước ta còn nhiều hạn chế. Do đó hướng nghiên cứu chiến lược với nước ta sẽ là tập trung nghiên cứu các thuật toán lượng tử và các mô hình tính toán lượng tử. Để thực hiện được điều đó, việc xây dựng một chương trình mô phỏng tính toán lượng tử trên hệ máy tính truyền thống như là một bộ công cụ trợ giúp việc nghiên cứu các thuật toán lượng tử là điều thiết yếu. Với thực tế đó, nhóm chúng tôi đề xuất xây dựng một bộ công cụ mô phỏng làm hạt nhân cho việc hình thành một labo nghiên cứu về máy tính lượng tử ở Việt Nam theo một tiếp cận hoàn toàn mới. 2 1.2. Hướng giải quyết Hiện nay trên thế giới xuất hiện rất nhiều chương trình mô phỏng tính toán lượng tử như: labo của Kieu Tien Dung( Centre for atom optics and ultrafast spectroscopy, Swinburne University of Technology, Howthorn 3122, Australia), Gregory David Baker( Computer science at Macquaie University) với hướng tiếp cận dùng lập trình thủ tục, Bernhard Oemer( Department of Theoretical Physics Technical University of Vienna) với hướng tiếp cận dùng C/C++, chương trình jaQuzzi( www.physics.bufalo.edu/~phygons/jaQuzzi) với hướng tiếp cận dùng Java,… Trong nghiên cứu mô phỏng tính toán lượng tử có hai xu hướng chính: thứ nhất là viết các chương trình mô phỏng cho từng thuật toán cụ thể, thứ hai là nghiên cứu xây dựng một bộ công cụ cho phép thực thi một mạch bất kỳ. Rõ ràng hướng thứ nhất khó có thể phát triển được với qui mô lớn và tự động. Theo hướng thứ hai, mặc dầu có khả năng phát triển thành một bộ công cụ mạnh nhưng cần phải giải quyết một số vấn đề đặt ra mà những chương trình hiện nay trên thế giới chưa giải quyết được, đó là vấn đề bùng nổ dữ liệu theo hàm luỹ thừa với số qubit đầu vào - một bản chất của mô hình tính toán lượng tử, kèm theo đó là vấn đề kiểm soát và xử lý dữ liệu. Với C/C++, chúng ta sẽ mất nhiều công sức vào vấn đề tổ chức lưu trữ dữ liệu lớn và xây dựng một bộ công cụ với giao diện thân thiện hỗ trợ người dùng vì ngôn ngữ không hỗ trợ nhiều module đồ hoạ. Với Java, chúng ta không thể tối ưu được về mặt tốc độ, đặc biệt là khi phải xử lý với dữ liệu lớn. Với một số chương trình dùng Mathemetica hay Mathlab, việc kiểm soát dữ liệu là không chủ động vì nó phụ thuộc vào các nhà thiết kế Mathemetica, Mathlab và chưa có tương tác trợ giúp thiết kế ở mức giao diện đơn giản. Đứng trước thực tế đó, trong thời gian đầu nghiên cứu, câu hỏi lớn nhất mà nhóm cần trả lời được là: lựa chọn hướng tiếp cận nào cho phù hợp, ...