Gửi lúc: 28/12/2018 09:16:38
Bookmark and Share

Máy tính từ điện tử đến lượng tử

Trước những giới hạn của máy tính điện tử, máy tính lượng tử được ra đời nhằm giải quyết các bài toán lớn mà lĩnh vực khoa học - công nghệ hiện đại đặt ra. Đặc biệt là các vấn đề mô phỏng các hệ vi mô có ý nghĩa quyết định trong việc tạo ra các loại vật liệu mới. Tuy nhiên, để tiến tới một cuộc cách mạnh lượng tử thật sự, loài người còn rất nhiều vấn đề cần giải quyết. Bài báo này trình bày bức tranh tổng quan quá trình máy tính từ điện tử đến lượng tử, những thành tựu đã đạt được và những khó khăn cũng như triển vọng trong việc phát triển máy tính lượng tử.

ĐỊNH LUẬT MOORE VÀ GIỚI HẠN CỦA MÁY TÍNH ĐIỆN TỬ

Máy tính điện tử đã trải qua lịch sử phát triển hơn nửa thế kỷ, từ chức năng ban đầu là thực hiện các tính toán số học, thì ngày nay với chức năng xử lý, lưu trữ và truyền tin, máy tính đã xâm nhập vào tất cả mọi lĩnh vực hoạt động của con người, trở thành trụ cột của công nghệ thông tin và đã làm thay đổi căn bản bộ mặt của thế giới hiện đại, bao gồm cả thói quen sinh hoạt và lề lối làm việc của con người. Yếu tố khiến máy tính có những bước tiến như vậy là sự gia tăng tốc độ tính toán của nó theo quy luật hàm số mũ. Điều này đã được Gordon Moore - Chủ tịch Hội đồng các giám đốc của tập đoàn Intel - phát hiện vào năm 1965 và phát biểu thành định luật Moore. Theo định luật này thì công suất tính toán của máy tính cứ mỗi 24 tháng tăng lên hai lần. Sự gia tăng tốc độ tính toán của máy tính là kết quả gia tăng mật độ các bóng bán dẫn trên mỗi đơn vị diện tích của bản mạch. 

Tốc độ máy tính gia tăng đồng nghĩa với gia tăng mật độ bóng bán dẫn trong một đơn vị diện tích. Cứ 24 tháng tốc độ máy tính tăng lên hai lần có nghĩa là các nhà sản xuất phải giảm kích thước bán dẫn hai lần trong thời gian này. Nhưng việc giảm kích thước bán dẫn cũng có giới hạn do sự chi phối của các định luật vật lý. Thứ nhất, khi bán dẫn đạt kích thước nguyên tử, sẽ xảy ra các tương tác lượng tử, làm mất khả năng đo được chuyển động của điện tử và hệ quả là quá trình xử lý thông tin cũng mất hiệu lực. Thứ hai là hiệu ứng tỏa nhiệt: mật độ bán dẫn càng cao thì nhiệt tỏa ra càng nhiều và khi nhiệt độ cao đến một giới hạn sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến tính dẫn điện của bán dẫn.     

Trong cuộc đua tốc độ máy tính, một số hãng công nghệ đang cố gắng giảm kích thước bán dẫn. Kích thước nhỏ nhất được biết hiện nay là 22 nanomet trong bộ vi xử lý Intel Haswell. Nhưng dù cố gắng đến đâu thì các định luật của tự nhiên cũng sẽ kết thúc hiệu lực của định luật Moore. Các nhà khoa học dự đoán định luật Moore sẽ chỉ còn hiệu lực trong từ 3 đến 5 năm nữa, sau đó để đạt được đột phá về tốc độ, công nghệ máy tính phải chuyển sang công nghệ mới dựa trên các hệ lượng tử. Máy tính dựa trên các hệ này được gọi là máy tính lượng tử. Một câu hỏi đặt ra: con người có thật sự cần đến máy tính lượng tử có tốc độ lớn hơn hàng ngàn lần so với các siêu máy tính hiện có hay đó đơn thuần chỉ là sự cám dỗ đối với các nhà khoa học và công nghệ? 

Máy tính thông thường, kể cả các siêu máy tính với tốc độ tính toán hàng nghìn tỉ phép tính/giây hiện vẫn bất lực trước nhiều bài toán đặt ra của khoa học - công nghệ hiện đại, đặc biệt là các vấn đề mô phỏng các hệ vi mô có ý nghĩa quyết định trong việc tạo ra các loại vật liệu mới. 

Xem toàn bộ bài báo tại đây

TS. Trần Đức Lịch