Máy tính lượng tử kì 4: Multi qubit - làm thế nào để xây dựng một máy tính lượng tử nhiều qubit?
Bài viết được dịch từ: Multiple qubits Multiple qubits docs.microsoft.com Kì 3: Máy tính lượng tử kì 3: Cổng lượng tử...
Bài viết được dịch từ:
Kì 3:
Tại sao phải dùng multi qubit?
Xét cho cùng, các cổng qubit đơn vẫn chỉ có một số khả năng nhất định, như ở nhiều trạng thái cùng 1 thời điểm và nếu chúng ta có một máy tính chỉ sử dụng các cổng đơn thì thực sự công suất tính toán vẫn lép vế hơn so với một siêu máy tính cổ điển. Do đó, sức mạnh thực sự của tính toán lượng tử chỉ trở nên hữu hình khi ta tăng số lượng qubit, khi đó kích thước của không gian vector chứa các vector trạng thái sẽ tăng theo cấp số nhân.
2 - qubit
Sự khác biệt chính giữa qubit đơn và 2 - qubit đó chính là tăng kích thước từ 2 chiều lên 4 chiều. Điều này là do vector cơ sở cho không gian vector 2 - qubit được tạo nên từ qubit đơn.

Công thức tổng quát

Kết quả của toán tử ⊗ được gọi là tích tensor (hoặc tích Kronecker) của vector. Chú ý rằng chúng ta luôn có thể lấy tích tensor của 2 qubit đơn để tạo 2 - qubit nhưng điều ngược lại có thể không xảy ra. Ví dụ, không có tồn tại 2 qubit đơn nào đó mà tích tensor của chúng là:

Trạng thái 2 - qubit như trên được gọi là trạng thái vướng víu, trạng thái mà thông tin vector nắm giữ không bị giới hạn ở một trong hai qubit. Thay vào đó, thông tin được lưu phân tán trong mối tương quan giữa 2 trạng thái. Thông tin phân tán này là một trong những đặc điểm phân biệt tính toán lượng tử với cổ điển, và là điều cần thiết cho một số giao thức như dịch chuyển và hiệu chỉnh lỗi lượng tử.
Xem thêm về vướng víu lượng tử
Toán tử (cổng) áp dụng trên 2 - qubit
Toán tử CNOT (Control Not) là một toán tử phổ thông, đảo qubit thứ 2 dựa vào qubit thứ nhất, được bởi diễn bằng ma trận unita sau:

Chúng ta có thể tìm thêm ma trận biểu diễn toán tử theo quy trình sau.
Giả sử có 2 trạng thái:

và

tích tensor đơn giản là:

Do đó, chúng ta có thể tạo ra cổng 2 - qubit bằng cách lấy tích tensor giữa một số cổng đơn đã biết. Một số ví dụ và cổng 2 - qubit là H⊗H, X⊗1 và X⊗Z.
Lưu ý rằng điều ngược lại có thể không đúng, trong trường hợp đó thì cổng được gọi là vướng víu. Một ví dụ về cổng vướng víu là CNOT.
Hệ thống n - qubit
Việc xây dựng hệ thống nhiều qubit hơn 2 vẫn không khác là mấy khi chúng ta vẫn có thể bám vào công thức tích tensor. Ví dụ về một chuỗi 8 - qubit 1011001:

Thử làm vài phép biến đổi trên hệ thống này bằng cách xé nhỏ từng qubit ra, chẳng hạn như áp dụng cổng X vào qubit 1 và CNOT và qubit 2 và 3:

Cuối cùng, các cổng mới có vẻ như cần phải được xây dựng thêm nếu muốn máy tính lượng tử hoàn chỉnh. Điều khó khăn ở đây là hệ thống càng phức tạp khi càng nhiều qubit, nhưng với thành công hiện nay là 50 qubit và sắp tới là gấp đôi, chúng ta có thể thấy rằng các tập đoàn phần cúng máy tính không hề giỡn chơi trong quá trình nghiên cứu máy tính lượng tử. Cuộc đua sẽ lại diễn ra giống như thời chiếc máy tính cổ điển đầu tiên ra đời, việc xây dựng một máy tính vài trăm qubit có công suất tính toán mạnh hơn tất cả các máy tính trên thế giới cộng lại sẽ không còn là ảo tưởng xa vời như nhiều người nghĩ.

Khoa học - Công nghệ
/khoa-hoc-cong-nghe
Bài viết nổi bật khác
- Hot nhất
- Mới nhất

Templier_Meow
Tiếp tục ủng hộ chuỗi bài viết của dịch giả. Mình cũng có vài thắc mắc và góp ý sau, mong được giải đáp.
1. Bạn nên để link dẫn những bài viết trước vào trong bài này để tiện cho người xem cũ đọc lại và người xem mới dễ tiếp cận hơn. Khi mình đọc bài này và muốn đối chiếu với những bài trướ mình phải tìm hơi mất thời gian.
2. "Do dó"
3. Mình chỉ là người "có hứng thú" chứ không phải là có liên quan đến ngành này, nên thắc mắc có thể hơi hiển nhiên hay vô duyên mong bạn thông cảm.
Có cách diễn giải nào thể hiện sự ưu việt của qbit so với bit mà nó tương đối "bình dân" một chút không? Mình hiểu 1 qbit có khả năng chứa nhiều trạng thái hơn là 1 bit (chỉ có 0 hay1) có đúng không?
- Báo cáo

Mèo Hung
Cảm ơn ý kiến góp ý của bạn.
Máy tính lượng tử ưu việt hơn nhờ cơ chế tính toán mới trong đó lấy qubit làm trung tâm:
1. Qubit chứa hơn 2 trạng thái, do đó nó sẽ có khả năng chạy song song cùng lúc, độ mạnh của qubit sẽ tăng theo cấp số nhân số qubit. Trong khi đó bit cổ điển thì chỉ bật hoặc tắt. Bạn có thể đọc lại phần về khối cầu Bloch.
2. Tính toán lượng tử ưu cầu về môi trường toán học khó hơn (đại số lie) so với tính toán cổ điển (đại số bool), nếu để hiểu nó hoạt động như thế nào thì chúng ta phải đi sâu vào toán học (chẳng hạn như khối cầu bloch từ đâu ra hay tại sao qubit 0 = [1, 0])
3. Kiến thức vật lí lượng tử dày đặc những thứ trên trời và phương trình hàm sóng, vi tích phân khủng, ... là nền tảng tạo nên cơ chế hoạt động phần cứng máy tính lượng tử - môi trường hoạt động của qubit cũng không thể viết 1 cách dễ hiểu. Do dó phần cổng lưởng tử mình chỉ giới thiệu được chức năng toán học của nó mà không nói được đến cấu tạo, máy đo trạng thái cũng bỏ.
Mình cũng đang tìm hiểu về máy tính lượng tử nên khả năng diễn đạt cũng không được thông suốt (-_-)
- Báo cáo

Doctor Who
Hôm trước xem TV ng ta nói bộ não là bộ xử lý mạnh nhất thế giới, nên nếu t tạo ra được máy tính"não" ta sẽ có chiếc máy tính mạnh nhất thế giới.
Zay cho mình hỏi giữa máy tính lượng tử và bộ não cái nào mạnh hơn?
- Báo cáo

Mèo Hung
thật ra mô hình máy tính lượng tử và não con người có rất nhiều điểm tương đồng với nhau, Ví dụ như khả năng tính toán song song (khi bạn sút bóng thì nghiệm của những phương trình vi tích phân khủng sẽ được giải thần tốc trong não nên bóng luôn vào vị trí mong muốn), khả năng tương tác giữa các nơron giống với trạng thái vướng víu của qubit, ... Xét về khả năng tính toán thì rõ ràng mtlt vượt trội hơn hẳn so với não nhưng lại kém về khả năng "thông minh" do chưa có sự tương tác thành mạng lưới giữa các qubit. Tuy nhiên công nghệ mô phỏng não là machine learning và deep learning sẽ sớm khắc phục điều này. Sau cùng thì mtlt vẫn là số 1.
- Báo cáo