Giải Nobel Vật lý 2012

Tiếp theo bài viết về giải Nobel 2011 (ở đây), tác giả viết thêm về giải Nobel Vật lý năm 2012 dưới góc nhìn của một người không làm về Vật lý, hy vọng có thể giúp bạn đọc có được khái niệm cơ bản về những công trình đang làm thay đổi thế giới.

Từ trên báo chí chính thức, ta biết rằng giải Nobel Vật lý 2012 được trao cho 2 nhà khoa học "vì những phương pháp thực nghiệm có tính đột phá, cho phép đo lường và điều khiển các hệ lượng tử riêng biệt". Mặc dù chính xác về mặt khoa học, ít người trong số chúng ta có thể hiểu được các hệ lượng tử này có ý nghĩa như thế nào trong cuộc sống hàng ngày.

Trong thế giới lượng tử, vật chất có thêm hai tính chất đặc biệt, đó là tính chồng chập và tính vướng víu. Chồng chập (superposition) hiểu một cách đơn giản là vật chất có thể ở nhiều trạng thái (hoặc nhiều vị trí) khác nhau tại một thời điểm. Hai phần tử vật chất được tạo thành từ một nguồn chia sẻ vài tính chất lượng tử chung, và khi đo đạc một phần tử ta biết được tính chất của phần tử kia. Hai phần tử như vậy được gọi là vướng víu (entanglement) với nhau.

Để lợi dụng những đặc tính này, các nhà khoa học xây dựng nên lý thuyết về thế hệ máy tính mới, máy tính lượng tử. Viên gạch cơ bản của lý thuyết này là qubit (quantum bit), tương tự như bit trong máy tính hiện đại. Một bit có thể ở một trong hai trạng thái, 0 hoặc 1, còn một qubit có thể ở đồng thời hai trạng thái 0 và 1, do tính chồng chập của nó.

Đến đây, chắc độc giả đã có thể mường tượng ra tính đột phá của một máy tính lượng tử. Trong khi một hệ 3 bit có thể ở 1 trong 8 trạng thái, thì một hệ 3 qubit có thể ở đồng thời cả 8 trạng thái. Thay vì một máy tính chơi cờ có thể tính toán nhiều nước cờ lần lượt, máy tính lượng tử có khả năng truy xuất mọi nước cờ cùng lúc.

Để máy tính lượng tử có thể vận hành được, ngoài qubit còn cần thêm một số cấu phần khác. Có những thứ sẽ phải thay đổi đề phù hợp với mô hình tính toán mới, ví dụ các thuật toán. Trong số các thuật toán hiện có dành cho máy tính lượng tử, thuật toán Shor chiếm một vị trí quan trọng. Nó cho phép các máy tính này giải bài toán phân tích ra thừa số nguyên tố trong thời gian tỷ lệ với logN (N là độ lớn của số cần phân tích).

Các máy tính hiện đại giải bài toán này mất nhiều thời gian hơn. Thuật toán trên các máy này chỉ đạt mức tỷ lệ với e^N. Để so sánh, 2^64 là con số cờ nổi tiếng, bằng khoảng 18.5 tỷ tỷ. Trong khi đó log 64 chỉ xấp xỉ 1.8, chênh nhau 10 tỷ tỷ lần. Nếu máy tính lượng tử giải bài toán mất 2s, máy tính phi lượng tử phải chạy chừng gần 600 tỷ năm (!). Do độ phức tạp e^N lớn đến như vậy, các nhà toán học xếp chúng vào loại bất khả giải, vì tuổi thọ của toàn bộ vũ trụ đến giờ chưa đầy 20 tỷ năm.

Vài thuật toán mã hóa hiện nay lợi dụng tính bất khả giải của bài toán phân tích thừa số để tạo ra các mã bất đối xứng (ví dụ như RSA và PGP). Với việc ra đời của máy tính lượng tử, các thuật toán trên trở thành không an toàn do chúng có thể bị phá mã cực nhanh. Bạn sẽ không còn dám nhập số thẻ tín dụng vào eBay để mua hàng, hoặc làm các giao dịch online banking nữa. Nền tảng bảo mật của các ứng dụng hiện nay sẽ phải được thay đổi, nếu không những gì ta tin tưởng là bí mật ngày hôm nay sẽ được mọi người bàn tán công khai vào ngày mai.

Tin vui là chưa ai chế ra được máy tính lượng tử - ít nhất là chưa có ai công bố điều đó. Tin không hẳn vui, là thành tựu được trao giải Nobel năm nay thực tế đã xảy ra vào thập kỷ 90 của thế kỷ trước. Từ đó đến nay, có thể đã có nhiều tiến bộ trong lĩnh vực này, nhưng hiển nhiên người ta có lý do để che giấu - ai cũng muốn sở hữu một máy giải mã siêu tốc, cho phép đọc trộm những thông tin trao đi đổi lại hàng ngày trên internet, đồng thời không ai biết là những thông tin đó có thể bị đọc trộm.

Hãng IBM, trong một công bố hiếm hoi năm 2001, đã sử dụng máy tính lượng tử phân tích số 15 ra 2 thừa số nguyên tố 3 và 5. Nếu coi máy tính lượng tử lúc đó như một cậu bé lớp 2, thì nay cậu bé ấy đã học năm thứ nhất đại học. Việc cộng trừ nhân chia các con số cực lớn, đối với một sinh viên tầm cỡ trung bình, không phải là quá khó.