Chồng chập lượng tử là gì?

Bạn sẽ học được gì

• Phân biệt trạng thái chồng chập với kết quả sau phép đo.
• Giải thích cách qubit dùng chồng chập, so với bit thông thường.
• Nêu vì sao không thể đọc hết mọi kết quả cùng lúc.

Cần biết trước

Nên biết bit thông thường chỉ nhận một trong hai giá trị. Các thuật ngữ khác được giải thích ngay trong bài.

Chồng chập là trạng thái hay là kết quả đo?

Chồng chập là một trạng thái, không phải kết quả đo. Một người đứng trên thang có một mức năng lượng cụ thể, tùy bậc đang đứng. Với nguyên tử thì khác: nó có thể xử sự như thể có hai hay nhiều mức năng lượng cùng lúc. Với người, điều này giống như đứng đồng thời ở bậc thấp nhất và bậc cao nhất, một điều vô nghĩa.

Khi đã ở trạng thái hỗn hợp đó, nguyên tử giữ nguyên cho tới khi bị đo hoặc bị thế giới bên ngoài tác động. Khi đo, nguyên tử “sụp” về một mức năng lượng duy nhất, tương đương việc rơi về bậc thấp hoặc bậc cao của thang.

Hãy tách hai thứ. Trước phép đo, hệ ở trạng thái chồng chập. Sau phép đo, ta thấy một kết quả cụ thể. Kết quả đó là ngẫu nhiên: hệ buộc phải sụp ngay lập tức về một trong hai trạng thái, 0 hoặc 1.

Qubit dùng ý tưởng này ra sao?

Bit thông thường mã hóa thông tin bằng các số 1 và 0, và ở một trong hai trạng thái. Qubit là bit lượng tử và có thể được đặt vào chồng chập của nhiều trạng thái. Nói cách khác, một qubit có thể ở trạng thái 0, trạng thái 1, hoặc hỗn hợp của cả hai.

Số tổ hợp tăng rất nhanh. Hai qubit có thể chứa chồng chập của 4 tổ hợp 0 và 1 cùng lúc, ba qubit chứa 8 tổ hợp, bốn qubit chứa 16 tổ hợp. Mỗi qubit thêm vào làm số tổ hợp tăng gấp đôi.

Để dùng sức mạnh này, người vận hành trước hết làm các qubit vướng víu với nhau, rồi thực hiện các phép toán trên chúng. Tùy loại máy, tín hiệu điện từ hoặc tia laser tạo ra sự vướng víu và các phép toán.

Vì sao không đọc hết mọi kết quả cùng lúc?

Máy tính lượng tử có thể thực hiện nhiều phép tính khác nhau trong chồng chập. Nhưng ở cuối, phép đo chỉ lấy ra được một lượng thông tin nhỏ về kết quả của tất cả những phép tính đó.

Vì vậy cách mô tả “máy tính lượng tử thử mọi lời giải cùng lúc” gây hiểu lầm. Chồng chập cũng không cho phép tìm kiếm vét cạn hiệu quả trên mọi lời giải có thể có. Điều then chốt là thiết kế phép đo sao cho nó lấy ra được thông tin hữu ích về cả tập kết quả.

Còn một giới hạn khác. Dao động nhiệt độ hoặc điện trường có thể phá vỡ trạng thái của qubit, làm mất chồng chập trước khi ta cần đến.

Ví dụ trong đời sống

Hãy hình dung một quy trình ba bước. Chuẩn bị: đưa hệ vào trạng thái chồng chập. Đo: một “cây thước” cắt ngang, và hệ sụp về một kết quả. Kết quả: ta ghi lại đúng một giá trị, 0 hoặc 1.

Rồi thử hỏi: nếu lặp lại quy trình, kết quả có giống nhau không? Vì kết quả của mỗi lần đo là ngẫu nhiên nên không nhất thiết. Một chương trình lượng tử hữu ích phải sắp xếp các phép toán sao cho thông tin cần tìm hiện ra qua phép đo, thay vì trông chờ vào một lần đo may mắn.

Hiểu lầm thường gặp

Chồng chập không có nghĩa là ta đọc được mọi đáp án cùng lúc. Phép đo chỉ cho một kết quả.

Chồng chập không phải kết quả đo. Nó là trạng thái trước khi đo, và phép đo làm nó sụp về một mức duy nhất.

Máy tính lượng tử không thử mọi lời giải rồi chọn cái tốt nhất. Phép đo chỉ lấy ra một lượng thông tin nhỏ, nên nó phải được thiết kế khéo.

Câu hỏi thường gặp

Qubit khác bit ở đâu?

Bit ở một trong hai trạng thái. Qubit có thể ở trạng thái 0, trạng thái 1, hoặc hỗn hợp của cả hai.

Mấy qubit cho bao nhiêu tổ hợp?

Hai qubit chứa 4 tổ hợp, ba qubit chứa 8, bốn qubit chứa 16. Mỗi qubit thêm làm số tổ hợp tăng gấp đôi.

Điều gì làm mất chồng chập?

Phép đo làm hệ sụp về một trạng thái. Nhiễu như dao động nhiệt độ hoặc điện trường cũng có thể phá trạng thái của qubit.

Tóm tắt

• Chồng chập là trạng thái; phép đo cho một kết quả cụ thể.
• Qubit dùng chồng chập, và số tổ hợp tăng gấp đôi với mỗi qubit thêm.
• Phép đo chỉ lấy ra ít thông tin, nên không thể đọc mọi kết quả cùng lúc.