text:
Biên dịch: Việt Anh | Hiệu đính: EvoLit
17/05/2017
Ở vùng ngoại ô Oxford có một nhà vật lí học thiên tài và gầy guộc đến đáng quan ngại tên là David Deutsch, người tin vào sự tồn tại của đa vũ trụ1, một lĩnh vực nhằm phát triển những chiếc máy tính siêu mạnh mẽ dựa trên một nhánh của vật lí học có tên là vật lí lượng tử. Chỉ với một phần triệu lượng phần cứng của một chiếc laptop thông thường, một chiếc máy tính lượng tử có thể lưu trữ số lượng bit thông tin tương đương với số lượng hạt trong vũ trụ. Nó có thể giải mã những mật mã trước đây không thể giải được. Nó có thể trả lời những câu hỏi về cơ học lượng tử phức tạp đến mức một chiếc máy tính thông thường ở thời điểm này không thể xử lí. Nói như vậy không có nghĩa là chúng ta đã biết rõ mình sẽ sử dụng một chiếc máy tính như thế ra sao. Bạn hãy thử hỏi một nhà vật lí, một chiếc máy tính lượng tử sẽ “có ích gì,” và ông ấy có thể sẽ kể câu chuyện về nhà khoa học Anh thế kỉ XIV Michael Faraday, một nhân vật có tầm ảnh hưởng trong lĩnh vực điện từ học, người mà khi được hỏi hiệu ứng điện từ sẽ hữu dụng như thế nào, đã trả lời rằng ông không biết nhưng chắc chắn một ngày nó sẽ được đánh thuế bởi Nữ hoàng.Trên cầu thang của Phòng thí nghiệm Vật lí Clarendon thuộc Đại học Oxford có một tấm ảnh lớn tưởng niệm Trung tâm Điện toán Lượng tử Oxford. Trong bức ảnh là một nhóm các nhà vật lí tập trung trên bãi cỏ, tất cả đều ăn vận bảnh bao. Được ghép vào phía xa của khung hình, nhưng bị đổ bóng sai hoàn toàn, là khuôn mặt của David Deutsch, trông giống như một nhà du hành thời gian dịch chuyển tức thời để tham gia sự kiện này. Thật khó để không cho rằng sự xuất hiện của Deutsch trong bức ảnh là một trò đùa tinh quái kiểu trí thức, bởi vì Deutsch tin rằng nếu một chiếc máy tính lượng tử được chế tạo, nó sẽ mang lại những bằng chứng gần như không thể chối cãi được về Diễn giải Nhiều Thế giới thuộc cơ học lượng tử (Many Worlds Interpretation of quantum mechanics), một lý thuyết đề xuất chính điều mà ta hình dung khi nghe cái tên này. Một số các nhà tư tưởng lớn trong lĩnh vực vật lí học, bên cạnh Deutsch, cũng ủng hộ thuyết Diễn giải Nhiều thế giới, mặc dù họ chỉ là thiểu số, và hầu như đều được đào tạo tại Anh Quốc, nơi mà mối quan tâm đặc biệt đến điện toán cơ học đã từng nhiều lần được gọi với cái tên là bệnh cúm Oxford.
Nhưng sức ảnh hưởng của tư tưởng của Deutsch đã biến đổi và trở nên lan toả. Các nhà khoa học khác, mặc dù thường không quan tâm tính xác thực của Diễn giải Nhiều Thế giới như một cách miêu tả vũ trụ, hiện đang tiến hành chế tạo những cỗ máy điện toán lượng tử trong mơ ấy. Các nhà nghiên cứu thuộc các trung tâm tại Singapore, Canada và New Haven, đang trong quá trình hợp tác với các tổ chức như Google và NASA, có thể sẽ sớm lắp ráp được các cỗ máy khiến các máy tính thông thường ngày nay trông lạc hậu như máy tính bỏ túi. Nhưng Deutsch thêm vào sự thờ ơ của các đồng nghiệp với Diễn giải Nhiều Thế giới bằng sự thờ ơ của chính ông – một sự thờ ơ về chuyên môn với việc thực sự chế tạo một chiếc máy tính lượng tử.
*****
Vật lí học phát triển bằng việc chấp nhận những điều phi lý. Lịch sử của ngành khoa học này là các ý tưởng hão huyền được chứng minh là đúng. Aristotle suy luận một cách khá hợp lý rằng một vật thể đang chuyển động, nếu được để yên, cuối cùng sẽ dừng lại; Newton đã nhận ra điều này không đúng, và từ đó xây dựng nền tảng của cái mà ngày nay chúng ta gọi là cơ học cổ điển. Tương tự, vật lí học đã làm chúng ta ngạc nhiên với sự thật rằng Trái đất quay xung quanh Mặt trời, thời gian bị bẻ cong, và vũ trụ, nếu được nhìn từ bên ngoài, sẽ có màu be (màu nâu hơi pha vàng hoặc hồng).
“Trí tưởng tượng của chúng ta được kéo căng đến mức tối đa,” nhà vật lí đạt giải Nobel Richard Feynman nhận xét, “không phải để tưởng tượng ra những thứ không thực sự hiện hữu ở đó như trong văn chương hư cấu, mà chỉ để nhận thức nổi những gì vốn đã tồn tại.” Vật lí học thật kì lạ, và những người dành cả cuộc đời cho việc nghiên cứu nó đều quen với sự kì lạ ấy hơn chúng ta. Nhưng, kể cả với các nhà vật lí học, cơ học lượng tử – nền tảng của một chiếc máy tính lượng tử – cũng gần như kì lạ quá sức chịu đựng.
Cơ học lượng tử mô tả lịch sử tự nhiên của vật chất và năng lượng khi chúng đi qua không gian và thời gian. Cơ học cổ điển cũng làm điều tương tự, nhưng, trong khi cơ học lượng tử mô tả rất chính xác hầu hết những gì chúng ta nhìn thấy (cát, bóng chày, các hành tinh), những mô tả ấy khi áp dụng cho vật chất ở quy mô nhỏ hơn lại hoàn toàn sai lầm. Ở một kích thước đủ tinh vi, tất cả các định luật về những quả bóng trên mặt phẳng nghiêng bắt đầu trở nên vô nghĩa.
Cơ học lượng tử phát biểu rằng các hạt cùng lúc có thể ở hai vị trí, một đặc tính có tên là sự chồng chéo lượng tử2; rằng hai hạt có thể được liên kết, hoặc “bị mắc vào nhau,” đến mức chúng có thể lập tức kết hợp các thuộc tính, bất kể khoảng cách giữa chúng trong không gian và thời gian; và khi chúng ta nhìn vào các hạt chúng ta không tránh khỏi việc sẽ thay đổi chúng. Đồng thời, trong cơ học lượng tử, vũ trụ ở mức độ cơ bản nhất là ngẫu nhiên, một quan điểm có xu hướng làm người ta không hài lòng. Thử tâm sự về sự bối rối của bạn về cơ học lượng tử với một nhà vật lí học và bạn sẽ được trả lời rằng không phải lo lắng, vì các nhà vật lí học cũng cảm thấy khó hiểu như vậy. Nếu cơ học cổ điển là George Eliot, cơ học lượng tử sẽ là Kafka3.
Chỉ với một phần triệu lượng phần cứng của một chiếc laptop thông thường, một chiếc máy tính lượng tử có thể lưu trữ số lượng bit thông tin tương đương với số lượng hạt trong vũ trụ. Nó có thể giải mã những mật mã trước đây không thể giải được. Nó có thể trả lời những câu hỏi về cơ học lượng tử phức tạp đến mức một chiếc máy tính thông thường ở thời điểm này không thể xử lí.
Tất cả những sự kì lạ này có thể sẽ dễ dàng được chấp nhận hơn nếu cơ học lượng tử chỉ mô tả một số lượng nhỏ vật chất hay năng lượng. Nhưng nó là cơ chế của vạn vật. Ngay cả Einstein, người đã cảm thấy hài lòng với ý tưởng về các lỗ giun qua thời gian, cảm thấy bức bối về vấn đề này đến mức vào năm 1935, ông đã tham gia viết một bài luận có tiêu đề “Liệu các mô tả có tính cơ học lượng tử về thực tại vật lí có thể được xem là hoàn thiện?” Ông chỉ ra một số hệ quả kì lạ của cơ học lượng tử, sau đó đưa ra lời giải cho câu hỏi của chính ông, về cơ bản là phủ định. Einstein thấy rằng sự chồng chéo lượng tử thật sự rắc rối, chê bai nó bằng cụm “tác động ma quái từ xa,” một cụm từ đã tồn tại suốt quãng thời gian trọng lực bị dè bỉu vào thế kỉ XVII.
Nhà vật lí học Hà Lan Niels Bohr có quan điểm khác với Einstein. Ông lập luận rằng, trong cơ học lượng tử, vật lí học đã đạt tới giới hạn của khả năng hiểu biết của khoa học. Cái trông như là vô lí đúng thật là vô lí, và chúng ta cần nhận ra rằng khoa học, dù có khả năng tiên đoán rất tốt kết quả của những thí nghiệm đơn lẻ, không thể giúp chúng ta hiểu về thực tại, thứ sẽ luôn tồn tại sau một bức màn. Khoa học chỉ đơn thuần hé mở hình hài của thực tại qua con mắt của chúng ta.
Quan điểm của Bohr chiếm ưu thế hơn quan điểm của Einstein. “Tất nhiên, hai bên của cuộc tranh cãi đều sai lầm,” Deutsch nhận xét, “nhưng Bohr khuấy đục vấn đề, còn Einstein lại cố gắng giải quyết nó.” Theo như Deutsch trong cuốn “The Fabric of Reality,” “Nói sự tiên đoán là mục đích của một lý thuyết khoa học là nhầm lẫn giữa phương thức với kết quả. Nó giống với việc nói mục đích của một con tàu vũ trụ là đốt nhiên liệu.” Sau thời của Bohr, một triết lý mang tính “ngậm miệng lại và tính toán đi” đã nổi lên trong giới vật lí học suốt nhiều thập kỉ. Đào sâu vào cơ học lượng tử như thể những phương trình của nó có thể tiết lộ câu chuyện của thực tại được coi là ngộ nhận đáng tiếc, giống như những câu hỏi khẩn thiết mà người ta gửi đến số 221B Phố Baker, tới địa chỉ nhà Sherlock Holmes.
*****
Tôi gặp David Deutsch tại nhà riêng của ông, vào bốn giờ trong một buổi chiều thứ Năm lạnh lẽo. Deutsch lớn lên ở khu vực London, tốt nghiệp đại học Cambridge, tiếp tục ở lại lấy học vị thạc sĩ Toán – lĩnh vực mà ông cho rằng mình không hề có năng khiếu – và tiếp tục đến Oxford để lấy bằng tiến sĩ Vật lí. Mặc dù có liên kết với trường đại học này, ông không làm việc tại đó và chưa bao giờ đứng lớp. “Tôi rất thích việc thuyết giảng,” ông bảo tôi. “Tôi chỉ không muốn thuyết giảng về những gì mà mọi người không muốn nghe. Sẽ là sai lầm khi xây dựng một hệ thống giáo dục như vậy. Nhưng đó không phải là lý do tôi không dạy học. Tôi không đi dạy đơn giản do cảm tính – tôi không thích. Nếu là một nhà sinh vật học, tôi sẽ là một nhà sinh vật học lý thuyết, bởi tôi không thích việc mổ xẻ ếch. Không phải do vấn đề đạo đức nhưng vì tôi thấy việc đó thật ghê tởm. Tương tự, việc nói với một nhóm người mà họ không muốn nghe giảng cũng thật kinh tởm.” Thay vào đó, Deutsch kiếm thu nhập từ các bài giảng, kinh phí, giải thưởng và từ các cuốn sách của ông.
Dưới ánh nắng mờ nhạt của bầu trời đông, ngôi nhà của Deutsch trông khá tồi tàn. Khu vườn toàn những thứ trông như cây thường xuân, và gần lối vào là một thứ bụi cây gì đó khá ốm yếu và lởm chởm đang nghỉ đông hoặc đã chết. Một tấm biển viết tay treo trên cửa ra vào ghi rằng ai chuyển hàng hoá đến nên “gõ cửa thật mạnh.” Deutsch mở cửa. “Tôi hiện đang rất vội,” ông nói với tôi, trước khi tôi kịp bước vào trong. “Vội vì quá nhiều việc.” Sự gầy gò của ông làm cho người ta nghĩ rằng tuổi của ông chỉ có thể là mười chín hoặc một trăm mười chín. (Hiện ông năm mươi bảy tuổi.) Đôi mắt của ông, đằng sau cặp kính dày cộp, trông như thuộc dạng ngoại cỡ, giống như đôi mắt của các nhân vật hoạt hình. Tiền sảnh ngôi nhà ngổn ngang những cuốn danh bạ cũ, hộp các tông, và hàng đống giấy tờ. “Nhưng ý không phải là tôi không có thời gian cho anh,” ông tiếp tục. “Chỉ là – đó là lý do vì sao mà ngôi nhà lại bừa bộn đến vậy, bởi tôi luôn vội vã.”
Nhiều đồng nghiệp của Deutsch kể với tôi về một đoàn làm phim tài liệu Nhật Bản muốn phỏng vấn Deutsch tại nhà riêng của ông. Đoàn phim đã hỏi liệu họ có thể dọn dẹp qua ngôi nhà. Deutsch không thích ý tưởng đó, vì vậy đoàn phim đã phải hứa rằng sau khi ghi hình họ phải bày bừa mọi thứ ra như ban đầu. Họ chụp rất nhiều bức ảnh, như những điều tra viên, và sau đó dọn dẹp hiện trường. Sau cuộc phỏng vấn, đoàn phim cẩn thận tái dựng lại “khung cảnh bừa bãi” như trước. Deutsch nói rằng ông vẫn có thể tìm đồ đạc, điều mà ông vẫn luôn lo lắng tới.
Được đính trên tường phòng khách nhà Deutsch là một tấm bản đồ thế giới, một bảng tuần hoàn hoá học, một bức biếm họa vẽ tay của Karl Popper, một tấm áp phích của sự kiện kí kết Tuyên Bố Độc Lập, một bảng phân loại động vật, một bảng phân loại các nhân vật trong “The Simpsons,” các bản in màu hình của McCain và Obama, với các nhãn viết tay được ghi là “ông này” và “ông kia,” và hai bản in màu của một diễn viên theo tôi đoán là Hugh Grant. Có cả những cuốn băng VHS cũ, một cái lò sưởi không dùng đến, một chiếc xe đạp tập cố định, một chiếc ti-vi màn hình phẳng lớn mà sự mới mẻ của nó đã khiến nó trở nên lạc lõng. Deutsch mời tôi trà và bánh quy. Tôi hỏi ông về tấm hình của người trông giống Hugh Grant.
“Chắc cô không xem ti-vi nhiều,” ông trả lời. Người đàn ông trong các bức ảnh là Hugh Laurie, một nam diễn viên người Anh được biết đến nhờ vai diễn trong chương trình truyền hình về y tế Mỹ có tên “House.” Deutsch mô tả với tôi, “House” như “một chương trình tuyệt vời về nhận thức luận, lĩnh vực mà tôi thực sự yêu thích, bên cạnh vật lí học cơ bản. Đó là một chương trình về vô số các cách mà tri thức có thể phát triển hay là không phát triển.” Hình tượng Bác sĩ House được dựa trên Sherlock Holmes, Deutsch cho biết. “Và House có một người bạn, Wilson, nhân vật được dựa trên Watson. Giống như Holmes, House là một người thuần theo chủ nghĩa duy lý. Mọi thứ đều có lí do, và nếu ông không biết được lí do ấy, thì chỉ có nghĩa là ông không biết, chứ không phải là nó không tồn tại. Đó là một thái độ cần thiết trong khoa học cơ bản.” Người ta có thể tưởng tượng rằng hương hồn của Bohr hẳn sẽ không đồng ý.
*****
Danh tiếng của Deutsch như là một nhà thiên tài ẩn dật chủ yếu bắt nguồn từ công trình nền móng của điện toán lượng tử. Từ những năm 1930, ngành khoa học máy tính đã bám vào ý tưởng về một chiếc máy tính toàn năng, một khái niệm lần đầu được đưa ra bởi cha đẻ hiện đại của ngành này, học giả người Anh Alan Turing. Một chiếc máy tính toàn năng sẽ có thể tự biến hoá thành bất cứ chiếc máy tính nào khác, như một bộ nhạc cụ điện tử tổng hợp có khả năng tạo ra các âm thanh của bất cứ loại nhạc cụ nào khác. Trong một bài luận vào năm 1985, Deutsch chỉ ra rằng, vì Turing đang làm việc với các nhà vật lí học cổ điển, chiếc máy tính toàn năng của Turing chỉ bắt chước được một tập hợp nhỏ trong số các máy tính có thể xây dựng được. Lý thuyết của Turing cần phải tính đến cơ học lượng tử nếu muốn giữ giá trị logic. Deutsch đề xuất một chiếc máy tính toàn năng dựa trên cơ học lượng tử, với khả năng tính toán mà cỗ máy của Turing không thể mô phỏng nổi (kể cả trên lý thuyết).
Theo Deutsch, cơ sở cho bài luận này đến từ một cuộc hội thoại vào đầu những năm tám mươi với nhà vật lí học Charles Bennett, thuộc I.B.M., về lý thuyết độ phức tạp tính toán (computational-complexity theory), tức là tìm hiểu về độ khó của một công việc tính toán, một lĩnh vực mới mẻ và hấp dẫn vào thời đó. Deutsch nghi ngờ liệu độ phức tạp tính toán là một thuộc tính cơ bản hay tương đối. Ví dụ, khối lượng là một thuộc tính cơ bản, bởi nó tồn tại không đổi trong bất cứ hoàn cảnh nào; trọng lượng lại là một thuộc tính tương đối, bởi trọng lượng của một vật thể phụ thuộc vào độ lớn của lực hấp dẫn tác dụng vào nó. Hai quả bóng chày giống hệt nhau trên Trái đất và trên mặt trăng có khối lượng bằng nhau, nhưng trọng lượng khác nhau. Nếu độ phức tạp tính toán cũng giống như khối lượng – nếu nó là một thuộc tính cơ bản – thì độ phức tạp sẽ có tính ảnh hưởng lớn; nếu không, thì ngược lại.
“Tôi chỉ đang nêu rõ quan điểm thôi,” Deutsch nói. “Tôi đã nói là họ đi quá sâu vào vấn đề này” – ám chỉ lý thuyết độ phức tạp – “bởi không có một chiếc máy tính tiêu chuẩn nào để dựa vào đó mà tính toán độ phức tạp của một công việc cả.” Giống như trọng lượng của một vật phụ thuộc vào trọng lực ở nơi được đo lường, mức độ phức tạp tính toán cũng phụ thuộc vào chiếc máy tính mà trong đó việc đo lường được thực hiện. Ta có thể tìm ra một công việc sẽ phức tạp đến mức nào nếu được xử lí trên một chiếc máy tính cụ thể, nhưng điều đó không nói lên gì về độ phức tạp căn bản của công việc đó, trong hệ quy chiếu với vũ trụ. Trừ khi thật sự có một thứ gì đó như một chiếc máy tính toàn năng, việc miêu tả về độ phức tạp không thể mang tính căn bản. Các nhà lý thuyết độ phức tạp, Deutsch lập luận, chỉ đang phí thời gian của họ.
Deutsch tiếp tục, “Sau đó Charlie nói nhỏ nhẹ, ‘Vấn đề là, có tồn tại một chiếc máy tính căn bản. Đó chính là vật lý học.’” Điều đó đã gây ấn tượng với Deutsch. Độ phức tạp tính toán là một thuộc tính cơ bản; giá trị của nó chỉ ra mức độ phức tạp của một phép tính toán trên chiếc máy tính toàn năng bậc nhất, chính là nền tảng vật lý học của thế giới. “Tôi nhận ra rằng Charlie đã đúng về vấn đề này,” Deutsch nói. “Sau đó tôi nghĩ, nhưng những người này đang sử dụng nhầm ngành vật lý học mất rồi. Họ nhận ra rằng lý thuyết độ phức tạp là một phát biểu về vật lý, nhưng lại không nhận ra rằng kết quả phụ thuộc vào việc ta sử dụng những định luật chuẩn mực của vật lý, hay một ước lượng nào đó như vật lý cổ điển.” Deutsch bắt đầu viết lại công trình về máy tính toàn năng của Turing dựa trên cơ học lượng tử. “Một vài sự khác biệt rất rõ rệt,” ông bình luận. Vì vậy, ít ra trong tâm trí của Deutsch, chiếc máy tính cơ học lượng tử toàn năng đã ra đời.
Một số tạp chí vật lý học đã từ chối một trong công trình đầu tay của Deutsch về tính toán lượng tử, cho rằng chúng “quá nặng về triết học.” Khi công trình cuối cùng cũng đã được công bố, ông nói, “một ít người có vẻ như đã hiểu nó.” Một trong số đó là nhà vật lý học Artur Ekert, người đã từng học ở Đại học Oxford với tư cách một sinh viên cao học đã bảo tôi rằng, “David thực sự là người đầu tiên đặt nền móng cho khái niệm máy tính lượng tử.”
Những nhân vật quan trọng khác sớm bước vào lĩnh vực này bao gồm nhà vật lý học ẩn dật Stephen J. Wiesner, người đã phát triển các ý tưởng như tiền tệ lượng tử (không thể làm giả được!) và mật mã lượng tử với sự khuyến khích của Bennett, và triết gia của vật lý học David Albert, với nghiên cứu về các máy lượng tử nội quan (ví dụ như các rô-bốt trong việc phân tích) mà Deutsch mô tả trong một bài luận vào năm 1985 của ông như là một ví dụ về “một chiếc máy tính lượng tử thực sự.” Ekert bình luận về lĩnh vực này như sau, “Chúng tôi toàn là những con vịt kì quặc.”
Mặc dù Deutsch không phải là người hướng dẫn chính thức của Ekert, Ekert đã nghiên cứu cùng ông. “Như thể ông ấy đã nhận nuôi tôi,” Ekert nhớ lại, “và sau đó, tôi cũng nhận nuôi ông ấy. Những bài hướng dẫn của tôi tại nơi làm việc của ông ấy bắt đầu vào khoảng 8 giờ tối, khi David ăn bữa trưa. Chúng tôi ở lại trao đổi và làm việc đến rạng sáng. Ông ấy rất thích thong thả bàn chuyện. Tôi rời đi vào 3 hoặc 4 giờ sáng, và sau đó David bắt đầu làm việc một cách nghiêm chỉnh. Nếu khám phá ra điều gì, chúng tôi sẽ viết thành một bài báo khoa học, nhưng đôi khi chúng tôi không làm vậy, và nếu ai đó khác cũng đã tìm ra giải pháp, chúng tôi sẽ nói, ‘Tốt quá, vậy là chúng ta không phải viết nó ra.’” Lúc đó vẫn còn là ẩn số, ngay cả trên lý thuyết, ở điểm nào mà một chiếc máy tính lượng tử có thể tốt hơn một chiếc máy tính cổ điển, và vì thế Deutsch và Ekert đã thử xây dựng các thuật toán cho các bài toán không thể giải được trên một chiếc máy tính cổ điển nhưng lại có thể giải được trên một chiếc máy tính lượng tử.
Với thuật toán của Shor, các phép toán mà một chiếc máy tính thông thường phải hoạt động lâu hơn cả lịch sử của vũ trụ để có thể giải ra nay chỉ mất một buổi chiều với một chiếc máy tính lượng tử đủ mạnh.
Một ví dụ là bài toán tìm thừa số nguyên tố. Một chén thánh linh thiêng của toán học qua hàng thế kỉ, bài toán này là nền tảng của nhiều kĩ thuật viết mật mã ngày nay. Việc lấy hai số nguyên tố có giá trị lớn rồi nhân với nhau là rất dễ dàng, nhưng lại rất khó để lấy một số có giá trị lớn là tích của hai số nguyên tố và tìm ra các thừa số nguyên tố ấy. Một chiếc máy tính thông thường phải mất mấy đời người để tìm ra thừa số nguyên tố của một số có nhiều hơn hoặc bằng hai trăm chữ số. Việc tìm thừa số nguyên tố chính là ví dụ của một quá trình mà làm theo một chiều thì dễ (chưng trứng) nhưng làm theo chiều ngược lại thì rất khó (đưa trứng về nguyên trạng là gần như không thể). Trong mật mã học, tích của hai số nguyên tố có giá trị lớn được dùng để tạo một mã bảo mật. Mở khoá mật mã này tương đương với việc khôi phục trứng về nguyên trạng. Việc ứng dụng quá trình tìm thừa số nguyên tố theo hướng này có tên là mã hoá bảo mật RSA (tên được đặt theo các nhà khoa học đã đề xuất ra nó, gồm Rivest, Shamir và Adleman), và đó là cách mà hầu hết mọi thứ được giữ bí mật trên Internet, từ thông tin trên thẻ tín dụng của bạn đến các hồ sơ I.R.S. (Internal Revenue Service – Sở Thuế Vụ Mỹ).
Vào năm 1992, nhà toán học Peter Shor thuộc Đại học M.I.T. tham dự một buổi nói chuyện về điện toán lượng tử, sự kiện đã hướng sự chú ý của ông đến công trình của Deutsch và các nhà tư tưởng sáng lập khác trong lĩnh vực mà thời đó vẫn còn là mơ hồ. Shor tự mình nghiên cứu bài toán tìm thừa số. “Tôi không chắc có thể tìm ra được gì,” Shore giải thích. Nhưng, khoảng một năm sau đó, ông xuất hiện với một thuộc toán (a) chỉ có thể chạy được trên một chiếc máy tính lượng tử, và (b) có thể nhanh chóng tìm ra các thừa số nguyên tố của một số tự nhiên có giá trị rất lớn – chính là chiếc chén thánh ấy! Với thuật toán của Shor, các phép toán mà một chiếc máy tính thông thường phải hoạt động lâu hơn cả lịch sử của vũ trụ để có thể giải ra nay chỉ mất một buổi chiều với một chiếc máy tính lượng tử đủ mạnh. “Công trình của Shor là bước ngoặt lớn nhất,” nhà vật lý học David DiVincenzo, người được coi là am hiểu nhất về lịch sử của điện toán lượng tử, chia sẻ. “Đó chính là khoảnh khắc mà chúng tôi đều nhận ra, Ồ, giờ ta đã thấy nó sẽ có ích lợi gì.”
Ngày nay, điện toán lượng tử đã duy trì được sự quan tâm của các nhà thực nghiệm; lĩnh vực này cũng có những nguồn tài trợ đáng kể từ công chúng lẫn tư nhân. Các công ty đầu tư vốn mạo hiểm đã bắt đầu rót vốn vào các thiết bị bảo mật lượng tử, và các nhóm nghiên cứu thuộc các trường đại học trên khắp thế giới cũng thành lập các đội hùng hậu cùng làm việc để xây dựng phần cứng và phát triển các ứng dụng cho máy tính lượng tử – ví dụ, để mô hình hoá protein, hay để hiểu rõ hơn các đặc tính của vật liệu siêu dẫn.
Artur Ekert trở thành một nhân vật quan trọng trong quá trình chuyển tiếp từ lý thuyết đơn thuần đến xây dựng các cỗ máy. Ông đã thành lập trung tâm điện toán lượng tử tại Oxford, cùng với một trung tâm tương tự ở Cambridge vài năm sau đó. Hiện nay ông đang điều hành một trung tâm tại Singapore, nơi mà chính phủ đã đặt nghiên cứu điện toán lượng tử là một trong các mục tiêu hàng đầu. “Ngày nay lĩnh vực này đang tập trung rất nhiều vào việc thực hành trong phòng thí nghiệm, vào việc làm thế nào và từ đâu có thể thực sự xây dựng một chiếc máy tính lượng tử,” DiVincenzo chia sẻ. “Chỉ cần đếm thôi, bạn đã có thể thấy rằng phần lớn những người trong ngành đang cố gắng chế tạo một chút phần cứng nào đó. Đó chính là kết quả của sự thành công của ngành.” Năm 2009, Google thông báo công ti này đã nghiên cứu các thuật toán điện toán lượng tử được ba năm, với mục tiêu phát triển được một chiếc máy tính có khả năng nhanh chóng phát hiện các sự vật hay con người nhất định từ những kho dữ liệu phim và ảnh khổng lồ – ví dụ như David Deutsch, từ hàng triệu bức ảnh không được đánh dấu mặt ông.
*****
Vào đầu thế kỉ mười chín, từ “computer” đã từng mang nghĩa là bất cứ ai làm nhiệm vụ tính toán: ví dụ, một người làm các phép toán để xây dựng một cây cầu. Vào khoảng năm 1830, nhà toán học và nhà phát minh người Anh Charles Babbage đã đưa ra ý tưởng về một Công cụ Phân tích, một cỗ máy có thể loại bỏ con người khỏi quá trình tính toán, từ đó tránh được lỗi do con người gây ra. Gần như không ai tưởng tượng được một công cụ phân tích có thể dùng để làm gì có ích, và trong thời của Babbage không một cỗ máy nào như vậy được xây dựng hoàn chỉnh. Mặc dù Babbage rất có xu hướng mắc phải các cuộc khủng hoảng tinh thần, và mặc dù khuynh hướng tâm thần của ông kì lạ đến mức đã có lần ông viết thư cho Alfred Lord Tennyson (một nhà thơ người Anh thời đại Nữ hoàng Victoria) để chữa lỗi sai về toán của nhà thơ này (Babbage gợi ý viết lại câu “Mỗi phút lại chết một con người / Mỗi phút khác lại có một sinh linh ra đời” thành “Mỗi khoảnh khắc lại chết một con người / Mỗi khoảnh khắc lại có một và một phần mười sáu sinh linh ra đời,” đồng thời ghi chú thêm rằng mặc dù con số chính xác phải là 1.167, “tất nhiên, ta phải bớt khắt khe để tuân theo các quy luật nhịp điệu”) – giờ chúng ta có thể nói Babbage đã có phần đúng.
Các hạt bị vướng víu có một loại siêu năng lực ngoại cảm: ở bất cứ khoảng cách nào, chúng có thể lập tức chia sẻ thông tin mà người quan sát thậm chí còn không thể nhận ra.
Một chiếc máy tính cổ điển – bất cứ chiếc máy tính nào mà ngày nay chúng ta biết – biến đổi thông tin đầu vào thông qua quá trình xử lí các bit nhị phân, các đơn vị thông tin tồn tại dưới hai giá trị 0 hoặc 1. Một chiếc máy tính lượng tử cũng có nhiều điểm giống so với một chiếc máy tính thông thường, nhưng thay vì sử dụng bit, nó sử dụng qubit4. Mỗi qubit ( phát âm là “Queue-bit”) có thể là 0 hoặc 1, giống như một bit, nhưng một qubit cũng có thể là 0 và 1 – sự kì quặc của cơ học lượng tử gọi là chồng chéo lượng tử. Đó là trạng thái mà con mèo trong ví dụ kinh điển của Schrödinger về chiếc hộp kín gặp phải: vừa sống vừa chết trong cùng một thời điểm. Nếu đọc các phương trình cơ học lượng tử theo đúng nghĩa đen, trạng thái chồng chéo lượng tử mang tính bản chất, chứ không mang tính nhận thức; không phải là chúng ta không biết con mèo đang ở trạng thái nào, mà thực ra con mèo đang ở hai trạng thái cùng lúc. Sự chồng chéo lượng tử giống như mô tả của Freud về sự mâu thuẫn trong tư tưởng: không phải là cảm thấy không chắc chắn, mà cùng lúc cảm thấy hoàn toàn thuyết phục ở hai cực. Và vì sự mâu thuẫn mang nhiều thông tin hơn bất cứ cảm xúc đơn cực nào, một qubit sẽ chứa nhiều thông tin hơn một bit.
Cái mà cơ học lượng tử gọi là sự chồng chéo cũng góp phần tạo nên những đặc tính khác thường của qubit. Các hạt bị vướng víu có một loại siêu năng lực ngoại cảm: ở bất cứ khoảng cách nào, chúng có thể lập tức chia sẻ thông tin mà người quan sát thậm chí còn không thể nhận ra. Dữ liệu đầu vào cho một máy tính lượng tử từ đó có thể được phân tán giữa các qubit bị chồng chéo, điều đó cũng khiến quá trình xử lí thông tin được chia nhỏ: nói gì đó với một phân tử, và nó có thể ngay lập tức truyền tai tới tất cả các hạt khác cùng bị chồng chéo.
Có những thông tin mà chúng ta không thể thấy được khi chúng được lưu giữ giữa các hạt; những thông tin ấy là bí mật chung của chúng. Như những gì mà cơ học lượng tử đã dạy chúng ta, vạn vật đều bị thay đổi một cách vĩnh viễn bởi sự cố gắng khẳng định bất cứ điều gì về chúng của chúng ta. Một khi được quan sát, các qubit sẽ không còn ở trong trạng thái vướng víu, hay chồng chéo: con mèo đi theo sự sống hay cái chết mà không thể thay đổi quyết định, và điều này làm mất đi khả năng tính toán đặc biệt của máy tính lượng tử. Một chiếc máy tính lượng tử là một cái nồi mà nếu bạn cứ nhìn chằm chằm vào, sẽ thật sự không sôi. Charles Bennett mô tả thông tin lượng tử như “thông tin của một giấc mơ – chúng ta không thể cho người khác thấy, và khi chúng ta cố miêu tả nó, chúng ta sẽ thay đổi ký ức về nó.”
Nhưng, một khi quá trình xử lí vấn đề được hoàn thành giữa các hạt bị vướng víu, chúng ta có thể nhìn vào đó. Khi ta tìm kiếm “câu trả lời” từ một chiếc máy tính lượng tử, câu trả lời đó, từ trạng thái bị lưu giữ theo cách vướng víu kì lạ đó, giữa các hạt, cần được hiện ra ở một nơi bình thường, không bị vướng víu. Việc chuyển đổi từ trạng thái bị vướng víu sang trạng thái không bị vướng víu đôi khi được gọi là “sụp đổ.” Một khi hệ thống sụp đổ, thông tin lưu trữ trong đó sẽ không còn là một giấc mơ hay là một bí mật hay là một con mèo kì lạ vừa sống vừa chết cùng lúc; câu trả lời lúc đó chỉ là một thứ bình thường chúng ta có thể đọc ra từ màn hình.
*****
Qubit không chỉ đơn thuần là lí thuyết. Những công trình đầu tiên về phần cứng máy tính lượng tử xây dựng các qubit bằng cách xử lí các hạt nhân từ của các nguyên tử trong một thứ soup lỏng có các xung điện. Các nhóm sau này, ví dụ một nhóm tại Đại học Oxford, phát triển các qubit sử dụng các bẫy ion đơn5, một phương pháp giới hạn các hạt nguyên tử mang điện tích vào trong một vùng không gian nhất định. Những qubit được tạo ra theo cách này rất chính xác, nhưng lại mỏng manh; bảo vệ chúng khỏi sự giao thoa là một việc hoàn toàn khó khăn. Có những qubit đã được chế tạo từ các vật liệu siêu dẫn được lắp ráp theo mô hình một nguyên tử, dù chúng dễ xử lý hơn nhưng lại kém chính xác. Thông thường, việc sản xuất ra một qubit không khác là bao so với việc sản xuất một con chip thông dụng. Tại Oxford, tôi đã thấy một thứ trông giống một bàn đánh khúc côn cầu ngoại cỡ, trên đó có một bộ đồ chơi Lego đặc biệt được bày một cách hỗn độn, với một cái trông có vẻ như là một tấm chắn bảo vệ được treo lơ lửng ở phía trên; dụng cụ mở rộng này bao gồm các máy laser và từ trường và các lỗ hổng quang học, tất cả được sắp xếp theo đúng các góc để xử lí và bảo vệ tám qubit siêu nhỏ được đặt trong một ống thép ở giữa bàn khỏi sự giao thoa.
Máy tính lượng tử tám-qubit của Đại học Oxford có ít khả năng tính toán hơn một cái bàn tính, nhưng năm mươi đến một trăm qubit có thể tạo ra một thứ có sức mạnh tương đương một chiếc laptop. Một nhóm ở Bristol, Anh, sở hữu một chiếc máy tính lượng tử cỡ nhỏ, bốn-qubit, có khả năng tìm thừa số của số 15. Một công ti ở Canada thông báo rằng họ đã xây dựng một máy tính có thể chơi Sudoku, mặc dù đã có hoài nghi rằng việc xử lí của nó thực ra được thực hiện bởi các bit thông thường, chứ không hề có sự chồng chéo hay vướng víu lượng tử.
Việc tăng số lượng qubit, từ đó tăng sức mạnh tính toán của chiếc máy tính, không đơn giản chỉ là cộng dồn với nhau. “Một trong những vấn đề cơ bản của việc mở rộng quy mô nằm ở độ tin cậy của một qubit,” Robert Schoelkopf, một giáo sư vật lí quản lí một nhóm nghiên cứu điện toán lượng tử thuộc Đại học Yale, giải thích. Nói đến độ tin cậy, ông đề cập đến một thực tế rằng các qubit “phục hồi tách sóng” – tách ra khỏi trạng thái nắm giữ thông tin – rất dễ dàng. “Hiện tại, các qubit chỉ có thể giữ thông tin trong khoảng một micro-giây. Và các tính toán của chúng ta mất khoảng một trăm nano-giây để hoàn thành. Hoặc các phép tính phải nhanh hơn hoặc qubit cần được tạo ra với độ tin cậy cao hơn.”
*****
Những gì các qubit làm khi chúng ta rời mắt đi là một vấn đề gây tranh cãi, và đôi khi – là vấn đề “ngậm miệng lại và tính toán” – một sự thờ ơ có chủ đích, đặc biệt đối với các nhà vật lí học có đầu óc thực dụng. Đối với Deutsch, muốn thật sự hiểu hoạt động của máy tính lượng tử, ta phải chấp nhận Diễn giải Nhiều Thế giới về cơ học lượng tử (Many Worlds Interpretation of quantum mechanics) của Hugh Everett.
Lý thuyết của Everett đã bị cộng đồng vật lý làm ngơ sau khi được xuất bản vào năm 1957, và hiện vẫn còn là một quan điểm thiểu số. Nó đòi hỏi một lí luận phản trực giác như sau: mỗi khi có hơn một kết quả khả thi, tất cả các kết quả đó sẽ cùng xảy ra. Vì vậy nếu như một nguyên tử phóng xạ có thể hoặc không thể phân rã tại bất cứ một giây nào, nó sẽ vừa phân rã vừa không phân rã; trong một vũ trụ nó sẽ phân rã, và trong một vũ trụ khác nó sẽ không phân rã. Những ngả rẽ của các khả năng sẽ phân nhánh cho đến khi tất cả mọi kết quả khả thi đều xảy ra trong thực tế. Theo Lý thuyết Nhiều Thế Giới (Many Worlds theory), thay vì chỉ có một lịch sử đơn nhất, tồn tại vô số các phân nhánh. Trong một vũ trụ chú mèo của bạn đã chết, trong một vũ trụ khác nó lại không chết, trong một vũ trụ thứ ba bạn đã chết trong một vụ tai nạn xe trượt tuyết hồi bảy tuổi và không hề đặt chú mèo vào trong chiếc hộp, vân vân.
Nhiều Thế Giới là một định đề bản thể học đầy ngông cuồng. Nhưng nó cũng mang những hệ quả quen thuộc, dễ chịu: trong Thuyết Nhiều Thế Giới, tham vọng giải thích thế giới của khoa vẫn còn nguyên vẹn. Sự kì lạ của sự chồng chéo lượng tử, theo Deutsch giải thích, đơn giản là “hiện tượng các biến vật lí có các giá trị khác nhau ở các vũ trụ khác nhau.” Và sự vướng víu, điều đã làm Einstein và những người khác phải băn khoăn, đặc biệt là hệ quả của nó rằng các hạt có thể ngay lập tức giao tiếp với nhau không kể khoảng cách giữa chúng trong không và thời gian, cũng đã được giải đáp. Những thông tin dường như đã di chuyển nhanh hơn vận tốc ánh sáng và theo một con đường không thể được phát hiện – được truyền tải một cách ma quái như siêu năng ngoại cảm- có thể, trong Thuyết Nhiều Thế Giới, được hiểu là di chuyển một cách khác lạ. Thông tin vẫn phát tán thông qua tiếp xúc trực tiếp – con đường “thông thường;” chúng ta chỉ cần chấp nhận rằng mối tiếp xúc này là thông qua tiếp tuyến của các vũ trụ tiếp giáp. Thêm vào đó, trong Thuyết Nhiều Thế Giới, sự ngẫu nhiên cũng sẽ không tồn tại. Một khả năng mười-phần-trăm rằng một nguyên tử sẽ phân rã không hề mang tính may rủi, mà nó ám chỉ một sự chắc chắn rằng nguyên tử đó sẽ phân rã ở trong mười phần trăm số vũ trụ phân nhánh ra từ điểm đó. (Đặt điều này trong bối cảnh khoa học, có thể thấy lấp ló một sự bất đồng xung quanh ý nghĩa chính xác của mỗi thuật ngữ mô tả, từ “khả năng” đến “phân nhánh” đến “vũ trụ.”)
Vào những năm bảy mươi, lý thuyết của Everett đã nhận được những sự chú ý đáng ra nó phải có được từ khi được công bố, nhưng ngày nay phần lớn các nhà vật lý học đều không quá bị thuyết phục. “Cá nhân tôi chưa từng đi theo cách nhìn này,” DiVincenzo nói, “nhưng nó không phải là một cách nhìn độc hại.” Một nhà vật lý học điện toán-lượng tử khác gọi nó là “một thứ hoàn toàn ngớ ngẩn,” nhưng Ekert nói, “Trong tất cả các lý thuyết kì lạ ngoài kia, tôi cho rằng Thuyết Nhiều Thế Giới là ít kì lạ nhất.” Theo quan điểm của Deutsch, “Everett tiếp cận bằng cách quan sát lý thuyết lượng tử và xem nó thực sự nói điều gì, thay vì chờ đợi nó nói lên những điều nhất định. Cái chúng ta muốn là lý thuyết phải phù hợp với thực tế, và để tìm ra liệu nó có như vậy không, ta cần phải xem lý thuyết đó thực sự nói gì. Làm được như thế với những lý thuyết sâu xa nhất thật ra rất khó, bởi chúng đi ngược lại trực giác của chúng ta.”
Tôi nói với Deutsch rằng tôi đã từng nghe thậm chí Everett còn nghĩ lý thuyết của ông không thể được kiểm chứng.
“Đó là một sai lầm nghiêm trọng,” Deutsch nói. “Mỗi nhà cải cách đều bắt đầu với thế giới quan của của ngành khi chưa có sự cải cách của người đó. Vì vậy ta không thể trách Everett về việc ông ta coi lý thuyết của mình chỉ như một sự diễn giải khác. Nhưng” – ở đây ông dừng lại một chút – “Tôi đã đề xuất một kiểm chứng cho lý thuyết của Everett.”
Deutsch đề xuất một chương trình trí thông minh nhân tạo (A.I.) trong một chiếc máy tính có thể được sử dụng như một “quan sát viên” trong một thí nghiệm cơ học lượng tử; chương trình A.I., thay vì một nhà khoa học, sẽ thực hiện công việc “quan sát” đầy khó khăn, và bằng ý tưởng thông minh của Deutsch, một nhà vật lí học quan sát chương trình A.I. sẽ thấy được một kết quả nếu như lý thuyết của Everett là đúng, và sẽ thấy một kết quả khác nếu như lý thuyết đó sai.
Tuy nhiên, đó mới chỉ là một thí nghiệm giả tưởng. Không tồn tại một chương trình A.I. nào đủ phức tạp để thực hiện vai trò quan sát viên. Deutsch lập luận rằng trên lý thuyết có thể tồn tại một chương trình như vậy, mặt dù nó chỉ có thể được chạy trên phần cứng hoàn toàn tân tiến hơn – phần cứng có thể mô phỏng mọi loại phần cứng khác, trong đó có bộ não. Chiếc máy tính mà trên đó chương trình A.I. được chạy “phải có thuộc tính toàn năng … nên tôi phải giả định là có thể có chiếc máy tính lượng tử – mạch lạc toàn năng này, và đó là đề xuất đầu tiên của tôi về một chiếc máy tính lượng tử. Dù tôi không nghĩ về nó như vậy. Và tôi cũng không gọi nó là máy tính lượng tử. Nhưng nó chính là như thế.” Dường như Deutsch đã hai lần nảy ra ý tưởng về một chiếc máy tính lượng tử: một lần khi tìm cách kiểm định tính đúng đắn của Thuyết Nhiều Thế Giới, và lần thứ hai, trong một cuộc trò chuyện về lý thuyết độ phức tạp, với kết quả là những luận cứ đã được kiểm chứng ủng hộ cho Thuyết Nhiều Thế Giới.
*****
Cho những ai thấy Diễn giải Nhiều Thế giới là một thứ lố bịch thừa thãi, Deutsch viết, “thuyết lượng tử về các vũ trụ song song không phải là vấn đề – nó là giải pháp…. Nó là sự giải thích – sự giải thích duy nhất có thể đứng vững trước một thực tế khác thường và phản trực giác.” Lý thuyết ấy cũng lý giải cách mà các máy tính lượng tử có thể hoạt động. Deutsch bảo tôi rằng một chiếc máy tính lượng tử có thể là “công nghệ đầu tiên giúp các công việc có ích được thực hiện thông qua sự cộng tác giữa các vũ trụ song song.” Sức mạnh xử lý của máy tính lượng tử đến từ việc đi khoán công việc cho bên ngoài, nhờ đó các phép tính sẽ được thực hiện ở các vũ trụ khác nhau, theo đúng nghĩa đen. Các hạt bị vướng víu sẽ hoạt động như các đường dẫn liên lạc giữa các vũ trụ, cùng chia sẻ thông tin và thu thập các kết quả. Vì vậy, ví dụ, với trường hợp của thuật toán của Shor, Deutsch nói, “Khi chúng ta chạy một thuật toán như vậy, vô số phiên bản của chúng ta cũng chạy thuật toán đó ở các vũ trụ khác. Chiếc máy tính sau đó sẽ phân tách một vài trong số các vũ trụ này (bằng cách tạo ra một sự chồng chéo) và kết quả là chúng thực thi một phần của phép toán dựa trên hàng loạt các dữ kiện đầu vào. Sau đó, những giá trị thu được sẽ tác động lẫn nhau, góp phần đưa ra kết quả cuối cùng, sao cho kết quả này xuất hiện ở mọi vũ trụ.”
Nhiều Thế Giới là một định đề bản thể học đầy ngông cuồng. Nhưng nó cũng mang những hệ quả quen thuộc, dễ chịu: trong Thuyết Nhiều Thế Giới, tham vọng giải thích thế giới của khoa vẫn còn nguyên vẹn.
Deutsch chủ yếu quan tâm đến việc xây dựng một chiếc máy tính lượng tử để phục vụ cho các ứng dụng của nó cho vật lí học cơ bản, bao gồm Diễn giải Nhiều Thế giới, sẽ là chiến thắng của lập luận rằng khoa học có thể giải thích thế giới và hiện thực có thể được thông hiểu. (“House cứu giúp mọi người,” Deutsch nói với tôi khi bàn luận về Hugh Laurie, “bởi anh ta có hứng thú với việc giải quyết các vấn đề, chứ không phải vì anh ta hứng thú với người khác.”) Thuật toán của Shor làm Deutsch hứng thú, nhưng dưới đây là cách mà sự hứng thú của ông hiện lên trong cuốn “The Fabric of Reality”:
Cho những ai vẫn còn giữ thế giới quan về một vũ trụ đơn nhất, tôi có một thử thách như sau: hãy giải thích cơ chế hoạt động của thuật toán Shor. Ý tôi không đơn giản chỉ là dự đoán nó sẽ hoạt động, đây cũng chỉ là vấn đề giải quyết một vài phương trình không có gì phải bàn cãi. Ý tôi là đưa ra một sự giải thích. Khi thuật toán của Shor tìm thừa số của một số, sử dụng gấp khoảng10500 lần lượng tài nguyên tính toán có thể quan sát được, con số ấy được tìm thừa số ở đâu? Chỉ có khoảng1080nguyên tử trong toàn bộ vũ trụ có thể nhìn thấy được, một con số quá nhỏ bé so với10500. Vì vậy nếu vũ trụ nhìn thấy được chính là giới hạn của thực tế vật lí, thực tế vật lí sẽ không thể chứa đủ tài nguyên cần thiết để tìm thừa số cho một số lớn như vậy. Thế thì ai đã tìm thừa số? Ở đâu, và làm cách nào mà phép tính được thực hiện?
Deutsch tin rằng điện toán lượng tử và Thuyết Nhiều Thế giới có mối quan hệ mật thiết. Ông gần như đơn độc trong niềm tin này, mặc dù nhiều người (đặc biệt ở quanh khu vực Oxford) thừa nhận rằng việc xây dựng một chiếc máy tính lượng tử cỡ lớn và ổn định có thể là bằng chứng ủng hộ cho lý giải của Everett. “Một khi có những chiếc máy tính lượng tử thực sự,” Deutsch nói với tôi, “và một nhà báo có thể đến tận các phòng thí nghiệm và hỏi làm thế nào mà những cỗ máy đó chạy được, những nhà vật lí được hỏi sẽ nói những điều vô nghĩa ngớ ngẩn, hoặc sẽ trả lời câu hỏi dựa trên cơ sở các vũ trụ song song. Đó sẽ là một sự kiện trọng đại. Thuyết Nhiều Thế giới sẽ trở thành một phần của nền văn minh. Thực sự, nó không liên quan gì đến việc sản xuất máy tính. Nhưng về mặt tâm lí học, nó hoàn toàn có liên quan.”
Rất dễ dàng để xem Deutsch như một người nhìn xa trông rộng từ sự cống hiến của ông cho Diễn giải Nhiều Thế giới, chỉ vì một lý do đơn giản rằng ông đã là một người nhìn xa trông rộng từ trước rồi. “Máy tính lượng tử nhẽ ra nên được phát minh từ những năm ba mươi,” ông đưa ra nhận xét khi cuộc trò chuyện sắp kết thúc. “Những thứ tôi làm vào cuối những năm bảy mươi và đầu những năm tám mươi không sử dụng bất cứ phát kiến nào chưa có vào những năm ba mươi.” Điều này hoàn toàn đúng. Deutsch tiếp tục, “Vấn đề là tại sao.”
DiVincenzo đã đưa ra một lời giải thích. “Những nhà vật lí học bình thường sẽ nói, ‘Tôi không mạnh về triết học và tôi không thực sự biết phải nghĩ gì, và điều đó cũng không quan trọng.’” DiVincenzo không theo Thuyết Nhiều Thế giới, nhưng không sẵn sàng bác bỏ quan điểm của Deutsch, phần nhiều bởi nó đã giúp Deutsch đưa ra nhiều lý thuyết quan trọng, nhưng cũng vì “cơ học lượng tử có một chỗ đứng độc nhất trong vật lí học, bởi vì quả thật nó hàm chứa thứ triết học mà bạn không thể tìm thấy kể cả ở trong những định luật của Newton hay lực hấp dẫn. Nhưng hầu hết các nhà vật lí học cho rằng nó là một vũng lầy mà họ không muốn rơi vào – họ muốn đi tìm hệ quả của các ý tưởng; họ muốn tính toán một thứ gì đó.”
*****
Ở Đại học Yale, một nhóm được dẫn dắt bởi Robert Schoelkopf đã xây dựng một chiếc máy tính lượng tử hai qubit. “Deutsch là người đi đầu và những bài viết ban đầu có ý nghĩa rất quan trọng,” Schoelkopf nói với tôi. “Nhưng những gì chúng tôi đang làm ở đây là phát triển phần cứng, để xem liệu những mô tả của các nhà lý thuyết có chính xác không.” Họ đã điều chỉnh cho chiếc máy tính có thể chạy cái gọi là thuật toán của Grover, một thuật toán chuyên xử lý câu đố bốn con bài: Con bài ẩn nào là con Q? Nó giống như thuật toán của Shor dành cho người mới nhập môn, ở mức mà một chiếc máy tính lượng tử cỡ nhỏ có thể xử lý được.
Nhóm này tự lắp ráp bộ xử lý qubit của họ. “Con chip chỉ đơn giản được làm từ một lớp ngọc bích hoặc silicon rất mỏng – một chất cách điện tốt – để sau đó chúng tôi đặt lên trên một tấm phim kim loại siêu dẫn được làm sẵn để hình thành hệ thống liên kết và các qubit,”Schoelkopf thuật lại. Cái họ cho tôi xem có kích cỡ nhỏ hơn móng tay út và trông giống như bản đồ của một hệ thống tàu điện ngầm.
Schoelkopf và công sự Michel Devoret, người đang dẫn dắt một nhóm khác, đưa tôi đến một phòng rộng chứa đầy ghế băng của phòng thí nghiệm màu đen, những thiết bị kì lạ, và những màn hình nhìn không ưng mắt lắm. Phong cách ở đây làm ta liên tưởng đến thế giới máy móc trong truyện giả tưởng ngày xưa. Bụi trong căn phòng khiến tôi hắt hơi. “Chúng tôi không muốn những người lao công đến dọn dẹp vì sợ họ sẽ làm hỏng thứ gì đó,” Schoelkopf nói.
Con chip qubit có kích cỡ nhỏ, nhưng dụng cụ hỗ trợ cho nó lại rất hoành tráng. Bộ phận lớn nhất của thiết bị là hệ thống ống nước của một chiếc tủ lạnh cao cấp, có tác dụng làm giảm nhiệt độ xung quanh hai qubit xuống mười milli độ trên nhiệt độ không tuyệt đối. Cái lạnh cải thiện độ tin cậy của chiếc máy tính. Một dụng cụ khác tạo ra các tín hiệu vi sóng có tác dụng thao túng các qubit và đưa chúng vào bất cứ mức độ chồng chéo nào mà người làm thí nghiệm mong muốn.
Việc chạy thuật toán này của Grover yêu cầu một chiếc máy tính thông thường phải có ba bước hoặc ít hơn – nếu sau khi kiểm tra quân bài thứ ba mà bạn vẫn chưa tìm ra con Q, ban biết nó sẽ ở quân bài thứ tư – trung bình bạn sẽ mất 2.25 bước. Một chiếc máy tính lượng tử có thể xử lý quá trình trên chỉ trong một bước. Đó là bởi vì các qubit có thể biểu thị các giá trị khác nhau trong cùng một thời điểm. Trong ví dụ câu đố bốn quân bài, mỗi quân bài được đại diện bởi một trong bốn trạng thái: 0,0; 0,1; 1,0; 1,1. Schoelkopf quy định một trong bốn trạng thái này là con Q, và chiếc máy tính lượng tử sẽ phải tìm ra đó là trạng thái nào. “Phép màu đến từ trạng thái ban đầu của chiếc máy tính,” ông giải thích. Cả hai qubit đều được bố trí, thông qua loạt xung bức xạ vi sóng, trong sự chồng chéo của không và một, sao cho mỗi qubit biểu thị hai trạng thái cùng một lúc, và hai qubit cùng nhau biểu thị cả bốn trạng thái.
“Thông tin có thể, theo một cách nào đó, được biểu hiện trong không gian ba chiều khi sử dụng toàn bộ cả chiếc máy tính; đó là cái mà chúng tôi tận dụng,” Devoret giải thích. “Đây là thuộc tính bạn sẽ không tìm thấy ở một bộ xử lý thông tin cổ điển. Một bit phải ở trong một trạng thái – nó phải ở đây hoặc ở kia. Sẽ có ích hơn khi bit đó ở khắp mọi nơi.”
Thông qua sự chồng chéo và vướng víu lượng tử, chiếc máy tính có thể cùng lúc kiểm tra từng vị trí khả thi của con Q. “Hiện tại chúng tôi chỉ có tỉ lệ số câu trả lời đúng là tám mươi phần trăm, và thấy rằng kết quả này thật ấn tượng,” Schoelkopf nói.
Với thuật toán của Grover, hay trên lý thuyết với thuật toán của Shor, các phép tính được thực hiện một cách song song, mặc dù không nhất thiết phải ở các thế giới song song. “Như thể tôi có một số lượng khổng lồ các máy tính đang cùng lúc kiểm tra các thừa số nguyên tố,” Schoelkopf kết luận. “Bạn bắt đầu với một trạng thái được xác định rõ ràng, và bạn kết thúc với một trạng thái được xác định rõ ràng. Ở giữa quá trình đó là một trạng thái vướng víu điên rồ, nhưng không sao cả.”
Schoelkopf nhấn mạnh rằng cơ học lượng tử là một hệ thống kì quặc nhưng nó thực sự chính xác. “Những sự kì lạ đó, như sự chồng chéo và vướng víu – chúng có vẻ giống như những hạn chế, nhưng thực tế lại là nguồn tài nguyên có thể được khai thác. Cơ học lượng tử không còn là một học thuyết mới mẻ hay đáng kinh ngạc đến mức chúng ta phải coi chúng là kì quặc nữa.”
Schoelkopf dường như muốn nói rằng các câu hỏi liên quan đến sự tồn tại như những gì Thuyết Nhiều Thế giới đặt ra cuối cùng có thể, đơn giản là không sử dụng được. “Nếu phải mô tả một kết quả trong phòng thí nghiệm của tôi dựa theo con chip tính toán,” ông giải thích, “cộng thêm dụng cụ đo đạc, cộng thêm chiếc máy tính thực hiện việc thu thập dữ liệu, cộng thêm một người thí nghiệm ngồi ở ghế băng… đến một thời điểm nào đó bạn sẽ phải bỏ cuộc và nói, bây giờ cơ học lượng tử không còn là vấn đề nữa, giờ tôi chỉ cần một kết quả kinh điển thôi. Đến một thời điểm nào đó bạn sẽ phải đơn giản hoá, bạn sẽ phải lược đi một vài thông tin lượng tử.” Khi tôi hỏi ông nghĩ thế nào về Thuyết Nhiều Thế giới và những sự diễn giải “sụp đổ” – nghĩa là việc “nhìn vào” gây ra một sự thay đổi trạng thái từ vướng víu sang không vướng víu – ông nói, “có một ngôn ngữ thay thế mà tôi ưa thích sử dụng khi mô tả cơ học lượng tử, và nó thực sự nên được gọi là Sự sụp đổ của nhà Vật lí học (Collapse of the Physicist).” Đó không chỉ là một cụm từ dễ thương, ông thực sự hàm ý một thứ gì đó lớn lao khi nói như vậy. “Trên thực tế quan trọng là ta nên khép lại cuộc bàn luận về vấn đề ở đâu.”
Tôi nghĩ rằng Deutsch có thể thấy hứng thú với nghiên cứu của nhóm ở Đại học Yale, và tôi đã email cho ông về tiến độ xây dựng các máy tính lượng tử. “Ồ, tôi chắc chắn chúng sẽ có ích ở mọi mặt,” ông trả lời. “Dù vậy, thực sự tôi chỉ là một khán giả của vật lí học thực nghiệm mà thôi.”
*****
Ngài Arthur Conan Doyle chưa bao giờ thích những truyện trinh thám xây dựng cao trào/kịch tính bằng cách triển khai các manh mối theo thời gian. Conan Doyle muốn viết truyện ở trong đó các chi tiết để phá án xuất hiện ngay từ đầu, và cao trào sẽ nảy ra, như trong truyện của Poe6 mà ông (Doyle) trích dẫn như những tiền lệ, trong những hoạt động tư duy của người tư duy lý tưởng của ông. Câu chuyện về điện toán lượng tử đi theo một mô típ kiểu Sherlock Holmes, bởi tất cả các manh mối để phát triển một chiếc máy tính lượng tử đã tồn tại ở đó ngay từ khi khám phá ra cơ học lượng tử, chờ đợi một khối óc có khả năng giải mã chúng.
Nhưng những cây bút trinh thám không phải lúc nào cũng có thể tuân theo tính duy lý của các tác phẩm lý tưởng của họ. Conan Doyle tin vào “thuyết duy linh” và thần tiên, ngay cả những người duy linh và thợ săn thần tiên nổi tiếng nhất luôn tự tiết lộ rằng những điều đó là giả. Conan Doyle cũng bị thuyết phục rằng người bạn của ông, Harry Houdini7 có những siêu năng lực; Houdini không thể thuyết phục được ông theo hướng khác. Conan Doyle biết chắc rằng có một thế giới tâm linh ngoài đó, và ông dành những thập kỉ cuối cùng của cuộc đời để thu thập các chứng cứ từ việc hồi tưởng lại quá khứ để bảo vệ niềm tin sắt đá của ông.
Các nhà vật lí học là các thám tử bản thể học. Chúng ta nghĩ các nhà khoa học hoàn toàn lý trí, đều cởi mở trước mọi luận điểm. Nhưng việc bắt đầu bằng một niềm tin và sử dụng năng lực trí tuệ để bảo vệ niềm tin ấy là một phương pháp thực sự có hiệu quả với các nhà khoa học, trong đó có Deutsch. Ta có thể lập luận rằng ông mơ mộng ra điện toán lượng tử bởi ông tin rằng khoa học có thể giải thích thế giới. Deutsch hẳn sẽ không đồng ý.
Trong cuốn “The Fabric of Reality,” Deutsch viết, “Tôi còn nhớ hồi nhỏ được bảo rằng, trong thời cổ đại người ta có thể biết mọi tri thức tồn tại của nhân loại. Tôi cũng được bảo rằng ngày nay có quá nhiều tri thức đến mức không ai có thể học được nhiều hơn một phần nhỏ bé của chúng, ngay cả trong một kiếp dài. Phát biểu thứ hai đã làm tôi ngạc nhiên và thất vọng. Thực ra, tôi đã từ chối tin vào nó.” Công trình của cả đời Deutsch là một nỗ lực để ủng hộ cho sự hoài nghi mang tính trực giác ấy – một sự thu thập luận cứ cho một niềm tin ông nắm giữ chỉ vì ông biết vậy.
Deutsch rất giỏi né tránh các câu hỏi về nguồn căn cho các ý tưởng của ông. Ông nói đùa với tôi rằng ý tưởng nảy ra khi ông dự các buổi tiệc, mặc dù tôi có cảm giác rằng đã nhiều năm rồi ông chưa tham dự một buổi tiệc nào. Ông nói, “Tôi không thích cái kiểu viết báo khoa học đi vào tiểu tiết như vậy. Nó làm người đọc có cái nhìn không đúng. Như kiểu báo viết rằng Brahm suốt ngày chỉ uống cà phê đen và tự bắt mình phải viết một số dòng nhạc nhất định trong ngày. Thế này,” ông tiếp tục, “Tôi không thể ngăn cô viết một bài báo về một ông người Anh kì quặc tin vào sự tồn tại của các vũ trụ song song. Nhưng tôi cho rằng kiểu tư duy đó giống như một sự gây thất vọng tới người đọc. Nó gần giống với việc nói rằng, Nếu ngày nay bạn không phải là người dị hợm theo những cách này, bạn chẳng có hy vọng gì để là một người tư duy sáng tạo. Nó không đúng. Sự khác thường chỉ là phần nổi mà thôi.”
Việc nói chuyện với Deutsch cảm giác như một bài tập nghiên cứu thực tế về lý trí đi theo ham muốn; ham muốn của Deutsch là trở thành tay sai của lý trí thuần tuý. Như ông đã nói trong lời tán dương Freud, “Ông ta đã làm rất tốt việc phụng sự thế giới. Ông ấy đã làm cho việc nói về các cơ chế hoạt động của tâm trí trở nên bình thường, mà một vài cơ chế trong đó chúng ta có thể không biết. Lý thuyết của ông ta thì sai cả, không có một điều gì mà ông ấy nói là đúng cả, nhưng điều này cũng không quá tệ. Ông ta là người đi tiên phong, một trong những người đầu tiên thử tư duy dựa trên lý trí.”
Multi universes (multiverse hay meta-universe) là giả thuyết về sự tồn tại của các vũ trụ song song, bao gồm vũ trụ mà chúng ta đang sinh sống. Tổng hợp lại, những vũ trụ này chứa tất cả mọi thứ tồn tại: không gian, thời gian, vật chất, năng lượng, các định luật vật lý và những hằng số miêu tả chúng. Các vũ trụ trong hệ thống đa vũ trụ được gọi là “các vũ trụ song song,” “các vũ trụ khác,” hoặc “các vũ trụ thay thế.”
Những người ủng hộ một hoặc nhiều hơn các giả thuyết đa vũ trụ gồm có Stephen Hawking, Brian Greene, Max Tegmark, Alan Guth, Andrei Linde, Michio Kaku, và David Deutsch.[\footnote] và đã nghĩ ra một chiếc máy tính không tưởng để kiểm tra sự tồn tại của các thiên hà đó. Tiêu đề của những cuốn sách của ông nghe rất hùng hồn (“The Fabric of Reality,” “The Beginning of Infinity”) (Tạm dịch: Kết cấu của Thực tại, Sự khởi nguồn của sự vô tận). Ông rất ít khi rời khỏi nhà của mình. Nhiều đồng nghiệp thân cận còn không gặp ông nhiều năm rồi, ngoại trừ trong các cuộc thảo luận thông qua Skype.
Chưa bao giờ có một công việc chính thức, Deutsch lại là cha đẻ của điện toán lượng tử[footnote]Điện toán lượng tử nghiên cứu các hệ thống tính toán trên giả định (máy tính lượng tử) có áp dụng trực tiếp các cơ chế của cơ học lượng tử, như sự chồng chéo hay vướng víu lượng tử. Điện toán lượng tử được kì vọng là một trong các phương pháp xử lí thông tin tiến bộ trong tương lai, khi đó các máy tính lượng tử (hay siêu máy tính) sẽ thực hiện các phép tính phức tạp trong một khoảng thời gian ngắn hơn so với những chiếc máy tính cổ điển.↩
Chồng chéo lượng tử là một nguyên lí cơ bản của cơ học lượng tử. Nguyên lí này phát biểu rằng hai (hay nhiều hơn) trạng thái lượng tử có thể được ghép vào nhau (“chồng lên” nhau) và kết quả là một trạng thái lượng tử hợp lệ, giống như các sóng trong vật lý học cổ điển; và ngược lại, mọi trạng thái lượng tử có thể được biểu diễn dưới dạng tổng của hai hay nhiều hơn các trạng thái riêng biệt khác.↩
George Eliot là bút danh của Mary Anne Evans (sinh ngày 22 tháng 11 năm 1819 – mất ngày 22 tháng 12 năm 1880), một tiểu thuyết gia, nhà thơ, nhà báo, dịch giả người Anh. Bà nổi tiếng với bút pháp chân thực về các vấn đề xã hội và đạo đức của cuộc sống trung lưu tại miền quê nông thôn.
Franz Kafka (sinh ngày 3 tháng 7 năm 1883 – mất ngày 3 tháng 6 năm 1924), là nhà văn Tiệp, viết tiếng Đức và được xem là một trong những nhà văn lớn nhất thế kỉ XX. Văn chương của Kafka đặc biệt nổi tiếng ở chỗ nó hòa quyện cái phi lí và có lí theo cách trái ngược với suy nghĩ thông thường, điều này đòi hỏi người đọc phải có cái nhìn rộng lớn và chi tiết mới có thể thấu hiểu.
Qua những thông tin trên, ta có thể thấy tác giả so sánh cơ học lượng tử với Kafka nhằm nhấn mạnh sự “khó hiểu” của ngành Vật lý này.
Trong điện toán lượng tử, một qubit hay quantum bit là một đơn vị trong lĩnh vực khoa học thông tin lượng tử – tên gọi tương ứng trong vật lý lượng tử của một bit trong vật lý cổ điển. Mỗi qubit là một hệ thống cơ học lượng tử hai trạng thái, ví dụ như sự phân cực của một photon đơn: ở đây hai trạng thái sẽ là phân cực đứng và phân cực ngang. Trong một hệ thống cổ điển, một bit chỉ tồn tại ở một trong hai trạng thái. Tuy nhiên, cơ học lượng tử cho phép một qubit ở trong sự chồng chéo của cả hai trạng thái cùng lúc, một đặc tính quan trọng của điện toán lượng tử.↩
Một bẫy ion là sự kết hợp của các điện trường hoặc từ trường, được sử dụng để thu được các hạt tích điện, thường ở trong một hệ thống biệt lập với môi trường bên ngoài. Một số ứng dụng khoa học của bẫy ion bao gồm phân tích quang phổ khối, nghiên cứu vật lý cơ bản, và kiểm soát các trạng thái lượng tử.↩
Edgar Allan Poe (sinh ngày 19 tháng 1 năm 1809 – mất ngày 7 tháng 10 năm 1849) là một nhà văn, người biên tập và nhà phê bình văn học người Mỹ. Poe được biết đến chủ yếu qua thơ ca và các truyện ngắn, đặc biệt là những câu chuyện bí ẩn và rùng rợn của ông. Ông được coi là hình tượng trung tâm của Chủ nghĩa lãng mạn Mỹ và nền văn học Mỹ nói chung, và ông cũng là một trong những cây bút truyện ngắn đầu tiên của đất nước này. Ông vẫn thường được nhắc đến như cha đẻ của thể loại tiểu thuyết trinh thám và được biết đến nhiều hơn với những đóng góp cho thể loại khoa học viễn tưởng. Poe là nhà văn Mỹ nổi tiếng đầu tiên kiếm sống chỉ bằng việc viết lách, điều này dẫn đến những khó khăn về mặt tài chính trong cuộc sống và sự nghiệp của ông.↩
Harry Houdini (sinh ngày 24 tháng 3 năm 1874 – mất ngày 31 tháng 10 năm 1926) là một ảo thuật gia và người biểu diễn nhào lộn người Mỹ gốc Hungary, nổi tiếng với những màn trốn thoát giật gân của mình. Ông thu hút được sự chú ý tại một sân khấu tạp kĩ ở Mỹ và sau đó trong chương trình “Harry Handcuff Houdini” (Tạm dịch: “Harry Houdini với còng tay”) trong một chuyến lưu diễn ở châu u, ở đó thử thách đặt ra cho các lực lượng cảnh sát là phải trói ông lại. Không lâu sau ông đã mở rộng vốn tiết mục ra bao gồm dây xích, dây thừng móc trên các tòa cao ốc, áo bó (loại áo bó có hai ống tay rất dài để có thể buộc lại) dưới nước, và việc phải trốn thoát cùng lúc nhịn thở từ bên trong một bình sữa chứa nước được đóng kín.↩
2 thoughts on “Cỗ máy trong mơ”
Vật lý kì lạ thật đấy .___.
Có cái nhìn về máy tính lượng tử. Bài này dài thiệt

markdown:
[The New Yorker](http://www.newyorker.com/magazine/2011/05/02/dream-machine)
Biên dịch: Việt Anh | Hiệu đính: EvoLit
17/05/2017
Ở vùng ngoại ô Oxford có một nhà vật lí học thiên tài và gầy guộc đến đáng quan ngại tên là David Deutsch, người tin vào sự tồn tại của đa vũ trụ
[1](#footnote-1-1838), một lĩnh vực nhằm phát triển những chiếc máy tính siêu mạnh mẽ dựa trên một nhánh của vật lí học có tên là vật lí lượng tử. Chỉ với một phần triệu lượng phần cứng của một chiếc laptop thông thường, một chiếc máy tính lượng tử có thể lưu trữ số lượng bit thông tin tương đương với số lượng hạt trong vũ trụ. Nó có thể giải mã những mật mã trước đây không thể giải được. Nó có thể trả lời những câu hỏi về cơ học lượng tử phức tạp đến mức một chiếc máy tính thông thường ở thời điểm này không thể xử lí. Nói như vậy không có nghĩa là chúng ta đã biết rõ mình sẽ sử dụng một chiếc máy tính như thế ra sao. Bạn hãy thử hỏi một nhà vật lí, một chiếc máy tính lượng tử sẽ “có ích gì,” và ông ấy có thể sẽ kể câu chuyện về nhà khoa học Anh thế kỉ XIV Michael Faraday, một nhân vật có tầm ảnh hưởng trong lĩnh vực điện từ học, người mà khi được hỏi hiệu ứng điện từ sẽ hữu dụng như thế nào, đã trả lời rằng ông không biết nhưng chắc chắn một ngày nó sẽ được đánh thuế bởi Nữ hoàng.Trên cầu thang của Phòng thí nghiệm Vật lí Clarendon thuộc Đại học Oxford có một tấm ảnh lớn tưởng niệm Trung tâm Điện toán Lượng tử Oxford. Trong bức ảnh là một nhóm các nhà vật lí tập trung trên bãi cỏ, tất cả đều ăn vận bảnh bao. Được ghép vào phía xa của khung hình, nhưng bị đổ bóng sai hoàn toàn, là khuôn mặt của David Deutsch, trông giống như một nhà du hành thời gian dịch chuyển tức thời để tham gia sự kiện này. Thật khó để không cho rằng sự xuất hiện của Deutsch trong bức ảnh là một trò đùa tinh quái kiểu trí thức, bởi vì Deutsch tin rằng nếu một chiếc máy tính lượng tử được chế tạo, nó sẽ mang lại những bằng chứng gần như không thể chối cãi được về Diễn giải Nhiều Thế giới thuộc cơ học lượng tử (Many Worlds Interpretation of quantum mechanics), một lý thuyết đề xuất chính điều mà ta hình dung khi nghe cái tên này. Một số các nhà tư tưởng lớn trong lĩnh vực vật lí học, bên cạnh Deutsch, cũng ủng hộ thuyết Diễn giải Nhiều thế giới, mặc dù họ chỉ là thiểu số, và hầu như đều được đào tạo tại Anh Quốc, nơi mà mối quan tâm đặc biệt đến điện toán cơ học đã từng nhiều lần được gọi với cái tên là bệnh cúm Oxford.
Nhưng sức ảnh hưởng của tư tưởng của Deutsch đã biến đổi và trở nên lan toả. Các nhà khoa học khác, mặc dù thường không quan tâm tính xác thực của Diễn giải Nhiều Thế giới như một cách miêu tả vũ trụ, hiện đang tiến hành chế tạo những cỗ máy điện toán lượng tử trong mơ ấy. Các nhà nghiên cứu thuộc các trung tâm tại Singapore, Canada và New Haven, đang trong quá trình hợp tác với các tổ chức như Google và NASA, có thể sẽ sớm lắp ráp được các cỗ máy khiến các máy tính thông thường ngày nay trông lạc hậu như máy tính bỏ túi. Nhưng Deutsch thêm vào sự thờ ơ của các đồng nghiệp với Diễn giải Nhiều Thế giới bằng sự thờ ơ của chính ông – một sự thờ ơ về chuyên môn với việc thực sự chế tạo một chiếc máy tính lượng tử.
*****
Vật lí học phát triển bằng việc chấp nhận những điều phi lý. Lịch sử của ngành khoa học này là các ý tưởng hão huyền được chứng minh là đúng. Aristotle suy luận một cách khá hợp lý rằng một vật thể đang chuyển động, nếu được để yên, cuối cùng sẽ dừng lại; Newton đã nhận ra điều này không đúng, và từ đó xây dựng nền tảng của cái mà ngày nay chúng ta gọi là cơ học cổ điển. Tương tự, vật lí học đã làm chúng ta ngạc nhiên với sự thật rằng Trái đất quay xung quanh Mặt trời, thời gian bị bẻ cong, và vũ trụ, nếu được nhìn từ bên ngoài, sẽ có màu be (màu nâu hơi pha vàng hoặc hồng).
“Trí tưởng tượng của chúng ta được kéo căng đến mức tối đa,” nhà vật lí đạt giải Nobel Richard Feynman nhận xét, “không phải để tưởng tượng ra những thứ không thực sự hiện hữu ở đó như trong văn chương hư cấu, mà chỉ để nhận thức nổi những gì
*vốn* đã tồn tại.” Vật lí học thật kì lạ, và những người dành cả cuộc đời cho việc nghiên cứu nó đều quen với sự kì lạ ấy hơn chúng ta. Nhưng, kể cả với các nhà vật lí học, cơ học lượng tử – nền tảng của một chiếc máy tính lượng tử – cũng gần như kì lạ quá sức chịu đựng.
Cơ học lượng tử mô tả lịch sử tự nhiên của vật chất và năng lượng khi chúng đi qua không gian và thời gian. Cơ học cổ điển cũng làm điều tương tự, nhưng, trong khi cơ học lượng tử mô tả rất chính xác hầu hết những gì chúng ta nhìn thấy (cát, bóng chày, các hành tinh), những mô tả ấy khi áp dụng cho vật chất ở quy mô nhỏ hơn lại hoàn toàn sai lầm. Ở một kích thước đủ tinh vi, tất cả các định luật về những quả bóng trên mặt phẳng nghiêng bắt đầu trở nên vô nghĩa.
Cơ học lượng tử phát biểu rằng các hạt cùng lúc có thể ở hai vị trí, một đặc tính có tên là sự chồng chéo lượng tử
[2](#footnote-2-1838); rằng hai hạt có thể được liên kết, hoặc “bị mắc vào nhau,” đến mức chúng có thể lập tức kết hợp các thuộc tính, bất kể khoảng cách giữa chúng trong không gian và thời gian; và khi chúng ta nhìn vào các hạt chúng ta không tránh khỏi việc sẽ thay đổi chúng. Đồng thời, trong cơ học lượng tử, vũ trụ ở mức độ cơ bản nhất là ngẫu nhiên, một quan điểm có xu hướng làm người ta không hài lòng. Thử tâm sự về sự bối rối của bạn về cơ học lượng tử với một nhà vật lí học và bạn sẽ được trả lời rằng không phải lo lắng, vì các nhà vật lí học cũng cảm thấy khó hiểu như vậy. Nếu cơ học cổ điển là George Eliot, cơ học lượng tử sẽ là Kafka [3](#footnote-3-1838).
Chỉ với một phần triệu lượng phần cứng của một chiếc laptop thông thường, một chiếc máy tính lượng tử có thể lưu trữ số lượng bit thông tin tương đương với số lượng hạt trong vũ trụ. Nó có thể giải mã những mật mã trước đây không thể giải được. Nó có thể trả lời những câu hỏi về cơ học lượng tử phức tạp đến mức một chiếc máy tính thông thường ở thời điểm này không thể xử lí.
Tất cả những sự kì lạ này có thể sẽ dễ dàng được chấp nhận hơn nếu cơ học lượng tử chỉ mô tả một số lượng nhỏ vật chất hay năng lượng. Nhưng nó là cơ chế của vạn vật. Ngay cả Einstein, người đã cảm thấy hài lòng với ý tưởng về các lỗ giun qua thời gian, cảm thấy bức bối về vấn đề này đến mức vào năm 1935, ông đã tham gia viết một bài luận có tiêu đề “Liệu các mô tả có tính cơ học lượng tử về thực tại vật lí có thể được xem là hoàn thiện?” Ông chỉ ra một số hệ quả kì lạ của cơ học lượng tử, sau đó đưa ra lời giải cho câu hỏi của chính ông, về cơ bản là phủ định. Einstein thấy rằng sự chồng chéo lượng tử thật sự rắc rối, chê bai nó bằng cụm “tác động ma quái từ xa,” một cụm từ đã tồn tại suốt quãng thời gian trọng lực bị dè bỉu vào thế kỉ XVII.
Nhà vật lí học Hà Lan Niels Bohr có quan điểm khác với Einstein. Ông lập luận rằng, trong cơ học lượng tử, vật lí học đã đạt tới giới hạn của khả năng hiểu biết của khoa học. Cái trông như là vô lí đúng thật là vô lí, và chúng ta cần nhận ra rằng khoa học, dù có khả năng tiên đoán rất tốt kết quả của những thí nghiệm đơn lẻ, không thể giúp chúng ta hiểu về thực tại, thứ sẽ luôn tồn tại sau một bức màn. Khoa học chỉ đơn thuần hé mở hình hài của thực tại qua con mắt của chúng ta.
Quan điểm của Bohr chiếm ưu thế hơn quan điểm của Einstein. “Tất nhiên, hai bên của cuộc tranh cãi đều sai lầm,” Deutsch nhận xét, “nhưng Bohr khuấy đục vấn đề, còn Einstein lại cố gắng giải quyết nó.” Theo như Deutsch trong cuốn “The Fabric of Reality,” “Nói sự tiên đoán là mục đích của một lý thuyết khoa học là nhầm lẫn giữa phương thức với kết quả. Nó giống với việc nói mục đích của một con tàu vũ trụ là đốt nhiên liệu.” Sau thời của Bohr, một triết lý mang tính “ngậm miệng lại và tính toán đi” đã nổi lên trong giới vật lí học suốt nhiều thập kỉ. Đào sâu vào cơ học lượng tử như thể những phương trình của nó có thể tiết lộ câu chuyện của thực tại được coi là ngộ nhận đáng tiếc, giống như những câu hỏi khẩn thiết mà người ta gửi đến số 221B Phố Baker, tới địa chỉ nhà Sherlock Holmes.
*****
Tôi gặp David Deutsch tại nhà riêng của ông, vào bốn giờ trong một buổi chiều thứ Năm lạnh lẽo. Deutsch lớn lên ở khu vực London, tốt nghiệp đại học Cambridge, tiếp tục ở lại lấy học vị thạc sĩ Toán – lĩnh vực mà ông cho rằng mình không hề có năng khiếu – và tiếp tục đến Oxford để lấy bằng tiến sĩ Vật lí. Mặc dù có liên kết với trường đại học này, ông không làm việc tại đó và chưa bao giờ đứng lớp. “Tôi rất thích việc thuyết giảng,” ông bảo tôi. “Tôi chỉ không muốn thuyết giảng về những gì mà mọi người không muốn nghe. Sẽ là sai lầm khi xây dựng một hệ thống giáo dục như vậy. Nhưng đó không phải là lý do tôi không dạy học. Tôi không đi dạy đơn giản do cảm tính – tôi không thích. Nếu là một nhà sinh vật học, tôi sẽ là một nhà sinh vật học lý thuyết, bởi tôi không thích việc mổ xẻ ếch. Không phải do vấn đề đạo đức nhưng vì tôi thấy việc đó thật ghê tởm. Tương tự, việc nói với một nhóm người mà họ không muốn nghe giảng cũng thật kinh tởm.” Thay vào đó, Deutsch kiếm thu nhập từ các bài giảng, kinh phí, giải thưởng và từ các cuốn sách của ông.
Dưới ánh nắng mờ nhạt của bầu trời đông, ngôi nhà của Deutsch trông khá tồi tàn. Khu vườn toàn những thứ trông như cây thường xuân, và gần lối vào là một thứ bụi cây gì đó khá ốm yếu và lởm chởm đang nghỉ đông hoặc đã chết. Một tấm biển viết tay treo trên cửa ra vào ghi rằng ai chuyển hàng hoá đến nên “gõ cửa thật mạnh.” Deutsch mở cửa. “Tôi hiện đang rất vội,” ông nói với tôi, trước khi tôi kịp bước vào trong. “Vội vì quá nhiều việc.” Sự gầy gò của ông làm cho người ta nghĩ rằng tuổi của ông chỉ có thể là mười chín hoặc một trăm mười chín. (Hiện ông năm mươi bảy tuổi.) Đôi mắt của ông, đằng sau cặp kính dày cộp, trông như thuộc dạng ngoại cỡ, giống như đôi mắt của các nhân vật hoạt hình. Tiền sảnh ngôi nhà ngổn ngang những cuốn danh bạ cũ, hộp các tông, và hàng đống giấy tờ. “Nhưng ý không phải là tôi không có thời gian cho anh,” ông tiếp tục. “Chỉ là – đó là lý do vì sao mà ngôi nhà lại bừa bộn đến vậy, bởi tôi luôn vội vã.”
Nhiều đồng nghiệp của Deutsch kể với tôi về một đoàn làm phim tài liệu Nhật Bản muốn phỏng vấn Deutsch tại nhà riêng của ông. Đoàn phim đã hỏi liệu họ có thể dọn dẹp qua ngôi nhà. Deutsch không thích ý tưởng đó, vì vậy đoàn phim đã phải hứa rằng sau khi ghi hình họ phải bày bừa mọi thứ ra như ban đầu. Họ chụp rất nhiều bức ảnh, như những điều tra viên, và sau đó dọn dẹp hiện trường. Sau cuộc phỏng vấn, đoàn phim cẩn thận tái dựng lại “khung cảnh bừa bãi” như trước. Deutsch nói rằng ông vẫn có thể tìm đồ đạc, điều mà ông vẫn luôn lo lắng tới.
Được đính trên tường phòng khách nhà Deutsch là một tấm bản đồ thế giới, một bảng tuần hoàn hoá học, một bức biếm họa vẽ tay của Karl Popper, một tấm áp phích của sự kiện kí kết Tuyên Bố Độc Lập, một bảng phân loại động vật, một bảng phân loại các nhân vật trong “The Simpsons,” các bản in màu hình của McCain và Obama, với các nhãn viết tay được ghi là “ông này” và “ông kia,” và hai bản in màu của một diễn viên theo tôi đoán là Hugh Grant. Có cả những cuốn băng VHS cũ, một cái lò sưởi không dùng đến, một chiếc xe đạp tập cố định, một chiếc ti-vi màn hình phẳng lớn mà sự mới mẻ của nó đã khiến nó trở nên lạc lõng. Deutsch mời tôi trà và bánh quy. Tôi hỏi ông về tấm hình của người trông giống Hugh Grant.
“Chắc cô không xem ti-vi nhiều,” ông trả lời. Người đàn ông trong các bức ảnh là Hugh Laurie, một nam diễn viên người Anh được biết đến nhờ vai diễn trong chương trình truyền hình về y tế Mỹ có tên “House.” Deutsch mô tả với tôi, “House” như “một chương trình tuyệt vời về nhận thức luận, lĩnh vực mà tôi thực sự yêu thích, bên cạnh vật lí học cơ bản. Đó là một chương trình về vô số các cách mà tri thức có thể phát triển hay là không phát triển.” Hình tượng Bác sĩ House được dựa trên Sherlock Holmes, Deutsch cho biết. “Và House có một người bạn, Wilson, nhân vật được dựa trên Watson. Giống như Holmes, House là một người thuần theo chủ nghĩa duy lý. Mọi thứ đều có lí do, và nếu ông không biết được lí do ấy, thì chỉ có nghĩa là ông không biết, chứ không phải là nó không tồn tại. Đó là một thái độ cần thiết trong khoa học cơ bản.” Người ta có thể tưởng tượng rằng hương hồn của Bohr hẳn sẽ không đồng ý.
*****
Danh tiếng của Deutsch như là một nhà thiên tài ẩn dật chủ yếu bắt nguồn từ công trình nền móng của điện toán lượng tử. Từ những năm 1930, ngành khoa học máy tính đã bám vào ý tưởng về một chiếc máy tính toàn năng, một khái niệm lần đầu được đưa ra bởi cha đẻ hiện đại của ngành này, học giả người Anh Alan Turing. Một chiếc máy tính toàn năng sẽ có thể tự biến hoá thành bất cứ chiếc máy tính nào khác, như một bộ nhạc cụ điện tử tổng hợp có khả năng tạo ra các âm thanh của bất cứ loại nhạc cụ nào khác. Trong một bài luận vào năm 1985, Deutsch chỉ ra rằng, vì Turing đang làm việc với các nhà vật lí học cổ điển, chiếc máy tính toàn năng của Turing chỉ bắt chước được một tập hợp nhỏ trong số các máy tính có thể xây dựng được. Lý thuyết của Turing cần phải tính đến cơ học lượng tử nếu muốn giữ giá trị logic. Deutsch đề xuất một chiếc máy tính toàn năng dựa trên cơ học lượng tử, với khả năng tính toán mà cỗ máy của Turing không thể mô phỏng nổi (kể cả trên lý thuyết).
Theo Deutsch, cơ sở cho bài luận này đến từ một cuộc hội thoại vào đầu những năm tám mươi với nhà vật lí học Charles Bennett, thuộc I.B.M., về lý thuyết độ phức tạp tính toán (computational-complexity theory), tức là tìm hiểu về độ khó của một công việc tính toán, một lĩnh vực mới mẻ và hấp dẫn vào thời đó. Deutsch nghi ngờ liệu độ phức tạp tính toán là một thuộc tính cơ bản hay tương đối. Ví dụ, khối lượng là một thuộc tính cơ bản, bởi nó tồn tại không đổi trong bất cứ hoàn cảnh nào; trọng lượng lại là một thuộc tính tương đối, bởi trọng lượng của một vật thể phụ thuộc vào độ lớn của lực hấp dẫn tác dụng vào nó. Hai quả bóng chày giống hệt nhau trên Trái đất và trên mặt trăng có khối lượng bằng nhau, nhưng trọng lượng khác nhau. Nếu độ phức tạp tính toán cũng giống như khối lượng – nếu nó là một thuộc tính cơ bản – thì độ phức tạp sẽ có tính ảnh hưởng lớn; nếu không, thì ngược lại.
“Tôi chỉ đang nêu rõ quan điểm thôi,” Deutsch nói. “Tôi đã nói là họ đi quá sâu vào vấn đề này” – ám chỉ lý thuyết độ phức tạp – “bởi không có một chiếc máy tính tiêu chuẩn nào để dựa vào đó mà tính toán độ phức tạp của một công việc cả.” Giống như trọng lượng của một vật phụ thuộc vào trọng lực ở nơi được đo lường, mức độ phức tạp tính toán cũng phụ thuộc vào chiếc máy tính mà trong đó việc đo lường được thực hiện. Ta có thể tìm ra một công việc sẽ phức tạp đến mức nào nếu được xử lí trên một chiếc máy tính cụ thể, nhưng điều đó không nói lên gì về độ phức tạp
*căn bản* của công việc đó, trong hệ quy chiếu với vũ trụ. Trừ khi thật sự có một thứ gì đó như một chiếc máy tính toàn năng, việc miêu tả về độ phức tạp không thể mang tính căn bản. Các nhà lý thuyết độ phức tạp, Deutsch lập luận, chỉ đang phí thời gian của họ.
Deutsch tiếp tục, “Sau đó Charlie nói nhỏ nhẹ, ‘Vấn đề là,
*có* tồn tại một chiếc máy tính căn bản. Đó chính là vật lý học.’” Điều đó đã gây ấn tượng với Deutsch. Độ phức tạp tính toán là một thuộc tính cơ bản; giá trị của nó chỉ ra mức độ phức tạp của một phép tính toán trên chiếc máy tính toàn năng bậc nhất, chính là nền tảng vật lý học của thế giới. “Tôi nhận ra rằng Charlie đã đúng về vấn đề này,” Deutsch nói. “Sau đó tôi nghĩ, nhưng những người này đang sử dụng nhầm ngành vật lý học mất rồi. Họ nhận ra rằng lý thuyết độ phức tạp là một phát biểu về vật lý, nhưng lại không nhận ra rằng kết quả phụ thuộc vào việc ta sử dụng những định luật chuẩn mực của vật lý, hay một ước lượng nào đó như vật lý cổ điển.” Deutsch bắt đầu viết lại công trình về máy tính toàn năng của Turing dựa trên cơ học lượng tử. “Một vài sự khác biệt rất rõ rệt,” ông bình luận. Vì vậy, ít ra trong tâm trí của Deutsch, chiếc máy tính cơ học lượng tử toàn năng đã ra đời.
Một số tạp chí vật lý học đã từ chối một trong công trình đầu tay của Deutsch về tính toán lượng tử, cho rằng chúng “quá nặng về triết học.” Khi công trình cuối cùng cũng đã được công bố, ông nói, “một ít người có vẻ như đã hiểu nó.” Một trong số đó là nhà vật lý học Artur Ekert, người đã từng học ở Đại học Oxford với tư cách một sinh viên cao học đã bảo tôi rằng, “David thực sự là người đầu tiên đặt nền móng cho khái niệm máy tính lượng tử.”
Những nhân vật quan trọng khác sớm bước vào lĩnh vực này bao gồm nhà vật lý học ẩn dật Stephen J. Wiesner, người đã phát triển các ý tưởng như tiền tệ lượng tử (không thể làm giả được!) và mật mã lượng tử với sự khuyến khích của Bennett, và triết gia của vật lý học David Albert, với nghiên cứu về các máy lượng tử nội quan (ví dụ như các rô-bốt trong việc phân tích) mà Deutsch mô tả trong một bài luận vào năm 1985 của ông như là một ví dụ về “một chiếc máy tính lượng tử thực sự.” Ekert bình luận về lĩnh vực này như sau, “Chúng tôi toàn là những con vịt kì quặc.”
Mặc dù Deutsch không phải là người hướng dẫn chính thức của Ekert, Ekert đã nghiên cứu cùng ông. “Như thể ông ấy đã nhận nuôi tôi,” Ekert nhớ lại, “và sau đó, tôi cũng nhận nuôi ông ấy. Những bài hướng dẫn của tôi tại nơi làm việc của ông ấy bắt đầu vào khoảng 8 giờ tối, khi David ăn bữa trưa. Chúng tôi ở lại trao đổi và làm việc đến rạng sáng. Ông ấy rất thích thong thả bàn chuyện. Tôi rời đi vào 3 hoặc 4 giờ sáng, và sau đó David bắt đầu làm việc một cách nghiêm chỉnh. Nếu khám phá ra điều gì, chúng tôi sẽ viết thành một bài báo khoa học, nhưng đôi khi chúng tôi không làm vậy, và nếu ai đó khác cũng đã tìm ra giải pháp, chúng tôi sẽ nói, ‘Tốt quá, vậy là chúng ta không phải viết nó ra.’” Lúc đó vẫn còn là ẩn số, ngay cả trên lý thuyết, ở điểm nào mà một chiếc máy tính lượng tử có thể tốt hơn một chiếc máy tính cổ điển, và vì thế Deutsch và Ekert đã thử xây dựng các thuật toán cho các bài toán không thể giải được trên một chiếc máy tính cổ điển nhưng lại có thể giải được trên một chiếc máy tính lượng tử.
Với thuật toán của Shor, các phép toán mà một chiếc máy tính thông thường phải hoạt động lâu hơn cả lịch sử của vũ trụ để có thể giải ra nay chỉ mất một buổi chiều với một chiếc máy tính lượng tử đủ mạnh.
Một ví dụ là bài toán tìm thừa số nguyên tố. Một chén thánh linh thiêng của toán học qua hàng thế kỉ, bài toán này là nền tảng của nhiều kĩ thuật viết mật mã ngày nay. Việc lấy hai số nguyên tố có giá trị lớn rồi nhân với nhau là rất dễ dàng, nhưng lại rất khó để lấy một số có giá trị lớn là tích của hai số nguyên tố và tìm ra các thừa số nguyên tố ấy. Một chiếc máy tính thông thường phải mất mấy đời người để tìm ra thừa số nguyên tố của một số có nhiều hơn hoặc bằng hai trăm chữ số. Việc tìm thừa số nguyên tố chính là ví dụ của một quá trình mà làm theo một chiều thì dễ (chưng trứng) nhưng làm theo chiều ngược lại thì rất khó (đưa trứng về nguyên trạng là gần như không thể). Trong mật mã học, tích của hai số nguyên tố có giá trị lớn được dùng để tạo một mã bảo mật. Mở khoá mật mã này tương đương với việc khôi phục trứng về nguyên trạng. Việc ứng dụng quá trình tìm thừa số nguyên tố theo hướng này có tên là mã hoá bảo mật RSA (tên được đặt theo các nhà khoa học đã đề xuất ra nó, gồm Rivest, Shamir và Adleman), và đó là cách mà hầu hết mọi thứ được giữ bí mật trên Internet, từ thông tin trên thẻ tín dụng của bạn đến các hồ sơ I.R.S. (Internal Revenue Service – Sở Thuế Vụ Mỹ).
Vào năm 1992, nhà toán học Peter Shor thuộc Đại học M.I.T. tham dự một buổi nói chuyện về điện toán lượng tử, sự kiện đã hướng sự chú ý của ông đến công trình của Deutsch và các nhà tư tưởng sáng lập khác trong lĩnh vực mà thời đó vẫn còn là mơ hồ. Shor tự mình nghiên cứu bài toán tìm thừa số. “Tôi không chắc có thể tìm ra được gì,” Shore giải thích. Nhưng, khoảng một năm sau đó, ông xuất hiện với một thuộc toán (a) chỉ có thể chạy được trên một chiếc máy tính lượng tử, và (b) có thể nhanh chóng tìm ra các thừa số nguyên tố của một số tự nhiên có giá trị rất lớn – chính là chiếc chén thánh ấy! Với thuật toán của Shor, các phép toán mà một chiếc máy tính thông thường phải hoạt động lâu hơn cả lịch sử của vũ trụ để có thể giải ra nay chỉ mất một buổi chiều với một chiếc máy tính lượng tử đủ mạnh. “Công trình của Shor là bước ngoặt lớn nhất,” nhà vật lý học David DiVincenzo, người được coi là am hiểu nhất về lịch sử của điện toán lượng tử, chia sẻ. “Đó chính là khoảnh khắc mà chúng tôi đều nhận ra, Ồ, giờ ta đã thấy nó sẽ có ích lợi gì.”
Ngày nay, điện toán lượng tử đã duy trì được sự quan tâm của các nhà thực nghiệm; lĩnh vực này cũng có những nguồn tài trợ đáng kể từ công chúng lẫn tư nhân. Các công ty đầu tư vốn mạo hiểm đã bắt đầu rót vốn vào các thiết bị bảo mật lượng tử, và các nhóm nghiên cứu thuộc các trường đại học trên khắp thế giới cũng thành lập các đội hùng hậu cùng làm việc để xây dựng phần cứng và phát triển các ứng dụng cho máy tính lượng tử – ví dụ, để mô hình hoá protein, hay để hiểu rõ hơn các đặc tính của vật liệu siêu dẫn.
Artur Ekert trở thành một nhân vật quan trọng trong quá trình chuyển tiếp từ lý thuyết đơn thuần đến xây dựng các cỗ máy. Ông đã thành lập trung tâm điện toán lượng tử tại Oxford, cùng với một trung tâm tương tự ở Cambridge vài năm sau đó. Hiện nay ông đang điều hành một trung tâm tại Singapore, nơi mà chính phủ đã đặt nghiên cứu điện toán lượng tử là một trong các mục tiêu hàng đầu. “Ngày nay lĩnh vực này đang tập trung rất nhiều vào việc thực hành trong phòng thí nghiệm, vào việc làm thế nào và từ đâu có thể thực sự xây dựng một chiếc máy tính lượng tử,” DiVincenzo chia sẻ. “Chỉ cần đếm thôi, bạn đã có thể thấy rằng phần lớn những người trong ngành đang cố gắng chế tạo một chút phần cứng nào đó. Đó chính là kết quả của sự thành công của ngành.” Năm 2009, Google thông báo công ti này đã nghiên cứu các thuật toán điện toán lượng tử được ba năm, với mục tiêu phát triển được một chiếc máy tính có khả năng nhanh chóng phát hiện các sự vật hay con người nhất định từ những kho dữ liệu phim và ảnh khổng lồ – ví dụ như David Deutsch, từ hàng triệu bức ảnh không được đánh dấu mặt ông.
*****
Vào đầu thế kỉ mười chín, từ “computer” đã từng mang nghĩa là bất cứ ai làm nhiệm vụ tính toán: ví dụ, một người làm các phép toán để xây dựng một cây cầu. Vào khoảng năm 1830, nhà toán học và nhà phát minh người Anh Charles Babbage đã đưa ra ý tưởng về một Công cụ Phân tích, một cỗ máy có thể loại bỏ con người khỏi quá trình tính toán, từ đó tránh được lỗi do con người gây ra. Gần như không ai tưởng tượng được một công cụ phân tích có thể dùng để làm gì có ích, và trong thời của Babbage không một cỗ máy nào như vậy được xây dựng hoàn chỉnh. Mặc dù Babbage rất có xu hướng mắc phải các cuộc khủng hoảng tinh thần, và mặc dù khuynh hướng tâm thần của ông kì lạ đến mức đã có lần ông viết thư cho Alfred Lord Tennyson (một nhà thơ người Anh thời đại Nữ hoàng Victoria) để chữa lỗi sai về toán của nhà thơ này (Babbage gợi ý viết lại câu “Mỗi phút lại chết một con người / Mỗi phút khác lại có một sinh linh ra đời” thành “Mỗi khoảnh khắc lại chết một con người / Mỗi khoảnh khắc lại có một và một phần mười sáu sinh linh ra đời,” đồng thời ghi chú thêm rằng mặc dù con số chính xác phải là 1.167, “tất nhiên, ta phải bớt khắt khe để tuân theo các quy luật nhịp điệu”) – giờ chúng ta có thể nói Babbage đã có phần đúng.
Các hạt bị vướng víu có một loại siêu năng lực ngoại cảm: ở bất cứ khoảng cách nào, chúng có thể lập tức chia sẻ thông tin mà người quan sát thậm chí còn không thể nhận ra.
Một chiếc máy tính cổ điển – bất cứ chiếc máy tính nào mà ngày nay chúng ta biết – biến đổi thông tin đầu vào thông qua quá trình xử lí các bit nhị phân, các đơn vị thông tin tồn tại dưới hai giá trị 0 hoặc 1. Một chiếc máy tính lượng tử cũng có nhiều điểm giống so với một chiếc máy tính thông thường, nhưng thay vì sử dụng bit, nó sử dụng qubit
[4](#footnote-4-1838). Mỗi qubit ( phát âm là “Queue-bit”) có thể là 0 hoặc 1, giống như một bit, nhưng một qubit cũng có thể là 0 *và* 1 – sự kì quặc của cơ học lượng tử gọi là chồng chéo lượng tử. Đó là trạng thái mà con mèo trong ví dụ kinh điển của Schrödinger về chiếc hộp kín gặp phải: vừa sống vừa chết trong cùng một thời điểm. Nếu đọc các phương trình cơ học lượng tử theo đúng nghĩa đen, trạng thái chồng chéo lượng tử mang tính bản chất, chứ không mang tính nhận thức; không phải là chúng ta không *biết* con mèo đang ở trạng thái nào, mà thực ra con mèo *đang ở* hai trạng thái cùng lúc. Sự chồng chéo lượng tử giống như mô tả của Freud về sự mâu thuẫn trong tư tưởng: không phải là cảm thấy không chắc chắn, mà cùng lúc cảm thấy hoàn toàn thuyết phục ở hai cực. Và vì sự mâu thuẫn mang nhiều thông tin hơn bất cứ cảm xúc đơn cực nào, một qubit sẽ chứa nhiều thông tin hơn một bit.
Cái mà cơ học lượng tử gọi là sự chồng chéo cũng góp phần tạo nên những đặc tính khác thường của qubit. Các hạt bị vướng víu có một loại siêu năng lực ngoại cảm: ở bất cứ khoảng cách nào, chúng có thể lập tức chia sẻ thông tin mà người quan sát thậm chí còn không thể nhận ra. Dữ liệu đầu vào cho một máy tính lượng tử từ đó có thể được phân tán giữa các qubit bị chồng chéo, điều đó cũng khiến quá trình xử lí thông tin được chia nhỏ: nói gì đó với một phân tử, và nó có thể ngay lập tức truyền tai tới tất cả các hạt khác cùng bị chồng chéo.
Có những thông tin mà chúng ta không thể thấy được khi chúng được lưu giữ giữa các hạt; những thông tin ấy là bí mật chung của chúng. Như những gì mà cơ học lượng tử đã dạy chúng ta, vạn vật đều bị thay đổi một cách vĩnh viễn bởi sự cố gắng khẳng định bất cứ điều gì về chúng của chúng ta. Một khi được quan sát, các qubit sẽ không còn ở trong trạng thái vướng víu, hay chồng chéo: con mèo đi theo sự sống hay cái chết mà không thể thay đổi quyết định, và điều này làm mất đi khả năng tính toán đặc biệt của máy tính lượng tử. Một chiếc máy tính lượng tử là một cái nồi mà nếu bạn cứ nhìn chằm chằm vào, sẽ thật sự không sôi. Charles Bennett mô tả thông tin lượng tử như “thông tin của một giấc mơ – chúng ta không thể cho người khác thấy, và khi chúng ta cố miêu tả nó, chúng ta sẽ thay đổi ký ức về nó.”
Nhưng, một khi quá trình xử lí vấn đề được hoàn thành giữa các hạt bị vướng víu, chúng ta có thể nhìn vào đó. Khi ta tìm kiếm “câu trả lời” từ một chiếc máy tính lượng tử, câu trả lời đó, từ
*trạng thái* bị lưu giữ theo cách vướng víu kì lạ đó, giữa các hạt, cần được hiện ra ở một nơi bình thường, không bị vướng víu. Việc chuyển đổi từ trạng thái bị vướng víu sang trạng thái không bị vướng víu đôi khi được gọi là “sụp đổ.” Một khi hệ thống sụp đổ, thông tin lưu trữ trong đó sẽ không còn là một giấc mơ hay là một bí mật hay là một con mèo kì lạ vừa sống vừa chết cùng lúc; câu trả lời lúc đó chỉ là một thứ bình thường chúng ta có thể đọc ra từ màn hình.
*****
Qubit không chỉ đơn thuần là lí thuyết. Những công trình đầu tiên về phần cứng máy tính lượng tử xây dựng các qubit bằng cách xử lí các hạt nhân từ của các nguyên tử trong một thứ soup lỏng có các xung điện. Các nhóm sau này, ví dụ một nhóm tại Đại học Oxford, phát triển các qubit sử dụng các bẫy ion đơn
[5](#footnote-5-1838), một phương pháp giới hạn các hạt nguyên tử mang điện tích vào trong một vùng không gian nhất định. Những qubit được tạo ra theo cách này rất chính xác, nhưng lại mỏng manh; bảo vệ chúng khỏi sự giao thoa là một việc hoàn toàn khó khăn. Có những qubit đã được chế tạo từ các vật liệu siêu dẫn được lắp ráp theo mô hình một nguyên tử, dù chúng dễ xử lý hơn nhưng lại kém chính xác. Thông thường, việc sản xuất ra một qubit không khác là bao so với việc sản xuất một con chip thông dụng. Tại Oxford, tôi đã thấy một thứ trông giống một bàn đánh khúc côn cầu ngoại cỡ, trên đó có một bộ đồ chơi Lego đặc biệt được bày một cách hỗn độn, với một cái trông có vẻ như là một tấm chắn bảo vệ được treo lơ lửng ở phía trên; dụng cụ mở rộng này bao gồm các máy laser và từ trường và các lỗ hổng quang học, tất cả được sắp xếp theo đúng các góc để xử lí và bảo vệ tám qubit siêu nhỏ được đặt trong một ống thép ở giữa bàn khỏi sự giao thoa.
Máy tính lượng tử tám-qubit của Đại học Oxford có ít khả năng tính toán hơn một cái bàn tính, nhưng năm mươi đến một trăm qubit có thể tạo ra một thứ có sức mạnh tương đương một chiếc laptop. Một nhóm ở Bristol, Anh, sở hữu một chiếc máy tính lượng tử cỡ nhỏ, bốn-qubit, có khả năng tìm thừa số của số 15. Một công ti ở Canada thông báo rằng họ đã xây dựng một máy tính có thể chơi Sudoku, mặc dù đã có hoài nghi rằng việc xử lí của nó thực ra được thực hiện bởi các bit thông thường, chứ không hề có sự chồng chéo hay vướng víu lượng tử.
Việc tăng số lượng qubit, từ đó tăng sức mạnh tính toán của chiếc máy tính, không đơn giản chỉ là cộng dồn với nhau. “Một trong những vấn đề cơ bản của việc mở rộng quy mô nằm ở độ tin cậy của một qubit,” Robert Schoelkopf, một giáo sư vật lí quản lí một nhóm nghiên cứu điện toán lượng tử thuộc Đại học Yale, giải thích. Nói đến độ tin cậy, ông đề cập đến một thực tế rằng các qubit “phục hồi tách sóng” – tách ra khỏi trạng thái nắm giữ thông tin – rất dễ dàng. “Hiện tại, các qubit chỉ có thể giữ thông tin trong khoảng một micro-giây. Và các tính toán của chúng ta mất khoảng một trăm nano-giây để hoàn thành. Hoặc các phép tính phải nhanh hơn hoặc qubit cần được tạo ra với độ tin cậy cao hơn.”
*****
Những gì các qubit làm khi chúng ta rời mắt đi là một vấn đề gây tranh cãi, và đôi khi – là vấn đề “ngậm miệng lại và tính toán” – một sự thờ ơ có chủ đích, đặc biệt đối với các nhà vật lí học có đầu óc thực dụng. Đối với Deutsch, muốn thật sự hiểu hoạt động của máy tính lượng tử, ta phải chấp nhận Diễn giải Nhiều Thế giới về cơ học lượng tử (Many Worlds Interpretation of quantum mechanics) của Hugh Everett.
Lý thuyết của Everett đã bị cộng đồng vật lý làm ngơ sau khi được xuất bản vào năm 1957, và hiện vẫn còn là một quan điểm thiểu số. Nó đòi hỏi một lí luận phản trực giác như sau: mỗi khi có hơn một kết quả khả thi, tất cả các kết quả đó sẽ cùng xảy ra. Vì vậy nếu như một nguyên tử phóng xạ có thể hoặc không thể phân rã tại bất cứ một giây nào, nó sẽ vừa phân rã vừa không phân rã; trong một vũ trụ nó sẽ phân rã, và trong một vũ trụ khác nó sẽ không phân rã. Những ngả rẽ của các khả năng sẽ phân nhánh cho đến khi tất cả mọi kết quả khả thi
*đều xảy ra* trong thực tế. Theo Lý thuyết Nhiều Thế Giới (Many Worlds theory), thay vì chỉ có một lịch sử đơn nhất, tồn tại vô số các phân nhánh. Trong một vũ trụ chú mèo của bạn đã chết, trong một vũ trụ khác nó lại không chết, trong một vũ trụ thứ ba bạn đã chết trong một vụ tai nạn xe trượt tuyết hồi bảy tuổi và không hề đặt chú mèo vào trong chiếc hộp, vân vân.
Nhiều Thế Giới là một định đề bản thể học đầy ngông cuồng. Nhưng nó cũng mang những hệ quả quen thuộc, dễ chịu: trong Thuyết Nhiều Thế Giới, tham vọng giải thích thế giới của khoa vẫn còn nguyên vẹn. Sự kì lạ của sự chồng chéo lượng tử, theo Deutsch giải thích, đơn giản là “hiện tượng các biến vật lí có các giá trị khác nhau ở các vũ trụ khác nhau.” Và sự vướng víu, điều đã làm Einstein và những người khác phải băn khoăn, đặc biệt là hệ quả của nó rằng các hạt có thể ngay lập tức giao tiếp với nhau không kể khoảng cách giữa chúng trong không và thời gian, cũng đã được giải đáp. Những thông tin dường như đã di chuyển nhanh hơn vận tốc ánh sáng và theo một con đường không thể được phát hiện – được truyền tải một cách ma quái như siêu năng ngoại cảm- có thể, trong Thuyết Nhiều Thế Giới, được hiểu là di chuyển một cách khác lạ. Thông tin vẫn phát tán thông qua tiếp xúc trực tiếp – con đường “thông thường;” chúng ta chỉ cần chấp nhận rằng mối tiếp xúc này là thông qua tiếp tuyến của các vũ trụ tiếp giáp. Thêm vào đó, trong Thuyết Nhiều Thế Giới, sự ngẫu nhiên cũng sẽ không tồn tại. Một khả năng mười-phần-trăm rằng một nguyên tử sẽ phân rã không hề mang tính may rủi, mà nó ám chỉ một sự chắc chắn rằng nguyên tử đó sẽ phân rã ở trong mười phần trăm số vũ trụ phân nhánh ra từ điểm đó. (Đặt điều này trong bối cảnh khoa học, có thể thấy lấp ló một sự bất đồng xung quanh ý nghĩa chính xác của mỗi thuật ngữ mô tả, từ “khả năng” đến “phân nhánh” đến “vũ trụ.”)
Vào những năm bảy mươi, lý thuyết của Everett đã nhận được những sự chú ý đáng ra nó phải có được từ khi được công bố, nhưng ngày nay phần lớn các nhà vật lý học đều không quá bị thuyết phục. “Cá nhân tôi chưa từng đi theo cách nhìn này,” DiVincenzo nói, “nhưng nó không phải là một cách nhìn độc hại.” Một nhà vật lý học điện toán-lượng tử khác gọi nó là “một thứ hoàn toàn ngớ ngẩn,” nhưng Ekert nói, “Trong tất cả các lý thuyết kì lạ ngoài kia, tôi cho rằng Thuyết Nhiều Thế Giới là ít kì lạ nhất.” Theo quan điểm của Deutsch, “Everett tiếp cận bằng cách quan sát lý thuyết lượng tử và xem nó thực sự nói điều gì, thay vì chờ đợi nó nói lên những điều nhất định. Cái chúng ta muốn là lý thuyết phải phù hợp với thực tế, và để tìm ra liệu nó có như vậy không, ta cần phải xem lý thuyết đó thực sự nói gì. Làm được như thế với những lý thuyết sâu xa nhất thật ra rất khó, bởi chúng đi ngược lại trực giác của chúng ta.”
Tôi nói với Deutsch rằng tôi đã từng nghe thậm chí Everett còn nghĩ lý thuyết của ông không thể được kiểm chứng.
“Đó là một sai lầm nghiêm trọng,” Deutsch nói. “Mỗi nhà cải cách đều bắt đầu với thế giới quan của của ngành khi chưa có sự cải cách của người đó. Vì vậy ta không thể trách Everett về việc ông ta coi lý thuyết của mình chỉ như một sự diễn giải khác. Nhưng” – ở đây ông dừng lại một chút – “Tôi đã đề xuất một kiểm chứng cho lý thuyết của Everett.”
Deutsch đề xuất một chương trình trí thông minh nhân tạo (A.I.) trong một chiếc máy tính có thể được sử dụng như một “quan sát viên” trong một thí nghiệm cơ học lượng tử; chương trình A.I., thay vì một nhà khoa học, sẽ thực hiện công việc “quan sát” đầy khó khăn, và bằng ý tưởng thông minh của Deutsch, một nhà vật lí học quan sát chương trình A.I. sẽ thấy được một kết quả nếu như lý thuyết của Everett là đúng, và sẽ thấy một kết quả khác nếu như lý thuyết đó sai.
Tuy nhiên, đó mới chỉ là một thí nghiệm giả tưởng. Không tồn tại một chương trình A.I. nào đủ phức tạp để thực hiện vai trò quan sát viên. Deutsch lập luận rằng trên lý thuyết có thể tồn tại một chương trình như vậy, mặt dù nó chỉ có thể được chạy trên phần cứng hoàn toàn tân tiến hơn – phần cứng có thể mô phỏng mọi loại phần cứng khác, trong đó có bộ não. Chiếc máy tính mà trên đó chương trình A.I. được chạy “phải có thuộc tính toàn năng … nên tôi phải giả định là có thể có chiếc máy tính lượng tử – mạch lạc toàn năng này, và đó là đề xuất đầu tiên của tôi về một chiếc máy tính lượng tử. Dù tôi không nghĩ về nó như vậy. Và tôi cũng không gọi nó là máy tính lượng tử. Nhưng nó chính là như thế.” Dường như Deutsch đã hai lần nảy ra ý tưởng về một chiếc máy tính lượng tử: một lần khi tìm cách kiểm định tính đúng đắn của Thuyết Nhiều Thế Giới, và lần thứ hai, trong một cuộc trò chuyện về lý thuyết độ phức tạp, với kết quả là những luận cứ đã được kiểm chứng ủng hộ cho Thuyết Nhiều Thế Giới.
*****
Cho những ai thấy Diễn giải Nhiều Thế giới là một thứ lố bịch thừa thãi, Deutsch viết, “thuyết lượng tử về các vũ trụ song song không phải là vấn đề – nó là giải pháp…. Nó là sự giải thích – sự giải thích duy nhất có thể đứng vững trước một thực tế khác thường và phản trực giác.” Lý thuyết ấy cũng lý giải cách mà các máy tính lượng tử có thể hoạt động. Deutsch bảo tôi rằng một chiếc máy tính lượng tử có thể là “công nghệ đầu tiên giúp các công việc có ích được thực hiện thông qua sự cộng tác giữa các vũ trụ song song.” Sức mạnh xử lý của máy tính lượng tử đến từ việc đi khoán công việc cho bên ngoài, nhờ đó các phép tính sẽ được thực hiện ở các vũ trụ khác nhau, theo đúng nghĩa đen. Các hạt bị vướng víu sẽ hoạt động như các đường dẫn liên lạc giữa các vũ trụ, cùng chia sẻ thông tin và thu thập các kết quả. Vì vậy, ví dụ, với trường hợp của thuật toán của Shor, Deutsch nói, “Khi chúng ta chạy một thuật toán như vậy, vô số phiên bản của chúng ta cũng chạy thuật toán đó ở các vũ trụ khác. Chiếc máy tính sau đó sẽ phân tách một vài trong số các vũ trụ này (bằng cách tạo ra một sự chồng chéo) và kết quả là chúng thực thi một phần của phép toán dựa trên hàng loạt các dữ kiện đầu vào. Sau đó, những giá trị thu được sẽ tác động lẫn nhau, góp phần đưa ra kết quả cuối cùng, sao cho kết quả này xuất hiện ở mọi vũ trụ.”
Nhiều Thế Giới là một định đề bản thể học đầy ngông cuồng. Nhưng nó cũng mang những hệ quả quen thuộc, dễ chịu: trong Thuyết Nhiều Thế Giới, tham vọng giải thích thế giới của khoa vẫn còn nguyên vẹn.
Deutsch chủ yếu quan tâm đến việc xây dựng một chiếc máy tính lượng tử để phục vụ cho các ứng dụng của nó cho vật lí học cơ bản, bao gồm Diễn giải Nhiều Thế giới, sẽ là chiến thắng của lập luận rằng khoa học có thể giải thích thế giới và hiện thực có thể được thông hiểu. (“House cứu giúp mọi người,” Deutsch nói với tôi khi bàn luận về Hugh Laurie, “bởi anh ta có hứng thú với việc giải quyết các vấn đề, chứ không phải vì anh ta hứng thú với người khác.”) Thuật toán của Shor làm Deutsch hứng thú, nhưng dưới đây là cách mà sự hứng thú của ông hiện lên trong cuốn “The Fabric of Reality”:
Cho những ai vẫn còn giữ thế giới quan về một vũ trụ đơn nhất, tôi có một thử thách như sau:
*hãy giải thích cơ chế hoạt động của thuật toán Shor*. Ý tôi không đơn giản chỉ là dự đoán nó sẽ hoạt động, đây cũng chỉ là vấn đề giải quyết một vài phương trình không có gì phải bàn cãi. Ý tôi là đưa ra một sự giải thích. Khi thuật toán của Shor tìm thừa số của một số, sử dụng gấp khoảng10500 lần lượng tài nguyên tính toán có thể quan sát được, con số ấy được tìm thừa số ở đâu? Chỉ có khoảng1080nguyên tử trong toàn bộ vũ trụ có thể nhìn thấy được, một con số quá nhỏ bé so với10500. Vì vậy nếu vũ trụ nhìn thấy được chính là giới hạn của thực tế vật lí, thực tế vật lí sẽ không thể chứa đủ tài nguyên cần thiết để tìm thừa số cho một số lớn như vậy. Thế thì ai đã tìm thừa số? Ở đâu, và làm cách nào mà phép tính được thực hiện?
Deutsch tin rằng điện toán lượng tử và Thuyết Nhiều Thế giới có mối quan hệ mật thiết. Ông gần như đơn độc trong niềm tin này, mặc dù nhiều người (đặc biệt ở quanh khu vực Oxford) thừa nhận rằng việc xây dựng một chiếc máy tính lượng tử cỡ lớn và ổn định có thể là bằng chứng ủng hộ cho lý giải của Everett. “Một khi có những chiếc máy tính lượng tử thực sự,” Deutsch nói với tôi, “và một nhà báo có thể đến tận các phòng thí nghiệm và hỏi làm thế nào mà những cỗ máy đó chạy được, những nhà vật lí được hỏi sẽ nói những điều vô nghĩa ngớ ngẩn, hoặc sẽ trả lời câu hỏi dựa trên cơ sở các vũ trụ song song. Đó sẽ là một sự kiện trọng đại. Thuyết Nhiều Thế giới sẽ trở thành một phần của nền văn minh. Thực sự, nó không liên quan gì đến việc sản xuất máy tính. Nhưng về mặt tâm lí học, nó hoàn toàn có liên quan.”
Rất dễ dàng để xem Deutsch như một người nhìn xa trông rộng từ sự cống hiến của ông cho Diễn giải Nhiều Thế giới, chỉ vì một lý do đơn giản rằng ông đã là một người nhìn xa trông rộng từ trước rồi. “Máy tính lượng tử nhẽ ra nên được phát minh từ những năm ba mươi,” ông đưa ra nhận xét khi cuộc trò chuyện sắp kết thúc. “Những thứ tôi làm vào cuối những năm bảy mươi và đầu những năm tám mươi không sử dụng bất cứ phát kiến nào chưa có vào những năm ba mươi.” Điều này hoàn toàn đúng. Deutsch tiếp tục, “Vấn đề là tại sao.”
DiVincenzo đã đưa ra một lời giải thích. “Những nhà vật lí học bình thường sẽ nói, ‘Tôi không mạnh về triết học và tôi không thực sự biết phải nghĩ gì, và điều đó cũng không quan trọng.’” DiVincenzo không theo Thuyết Nhiều Thế giới, nhưng không sẵn sàng bác bỏ quan điểm của Deutsch, phần nhiều bởi nó đã giúp Deutsch đưa ra nhiều lý thuyết quan trọng, nhưng cũng vì “cơ học lượng tử có một chỗ đứng độc nhất trong vật lí học, bởi vì quả thật nó hàm chứa thứ triết học mà bạn không thể tìm thấy kể cả ở trong những định luật của Newton hay lực hấp dẫn. Nhưng hầu hết các nhà vật lí học cho rằng nó là một vũng lầy mà họ không muốn rơi vào – họ muốn đi tìm hệ quả của các ý tưởng; họ muốn tính toán một thứ gì đó.”
*****
Ở Đại học Yale, một nhóm được dẫn dắt bởi Robert Schoelkopf đã xây dựng một chiếc máy tính lượng tử hai qubit. “Deutsch là người đi đầu và những bài viết ban đầu có ý nghĩa rất quan trọng,” Schoelkopf nói với tôi. “Nhưng những gì chúng tôi đang làm ở đây là phát triển phần cứng, để xem liệu những mô tả của các nhà lý thuyết có chính xác không.” Họ đã điều chỉnh cho chiếc máy tính có thể chạy cái gọi là thuật toán của Grover, một thuật toán chuyên xử lý câu đố bốn con bài: Con bài ẩn nào là con Q? Nó giống như thuật toán của Shor dành cho người mới nhập môn, ở mức mà một chiếc máy tính lượng tử cỡ nhỏ có thể xử lý được.
Nhóm này tự lắp ráp bộ xử lý qubit của họ. “Con chip chỉ đơn giản được làm từ một lớp ngọc bích hoặc silicon rất mỏng – một chất cách điện tốt – để sau đó chúng tôi đặt lên trên một tấm phim kim loại siêu dẫn được làm sẵn để hình thành hệ thống liên kết và các qubit,”Schoelkopf thuật lại. Cái họ cho tôi xem có kích cỡ nhỏ hơn móng tay út và trông giống như bản đồ của một hệ thống tàu điện ngầm.
Schoelkopf và công sự Michel Devoret, người đang dẫn dắt một nhóm khác, đưa tôi đến một phòng rộng chứa đầy ghế băng của phòng thí nghiệm màu đen, những thiết bị kì lạ, và những màn hình nhìn không ưng mắt lắm. Phong cách ở đây làm ta liên tưởng đến thế giới máy móc trong truyện giả tưởng ngày xưa. Bụi trong căn phòng khiến tôi hắt hơi. “Chúng tôi không muốn những người lao công đến dọn dẹp vì sợ họ sẽ làm hỏng thứ gì đó,” Schoelkopf nói.
Con chip qubit có kích cỡ nhỏ, nhưng dụng cụ hỗ trợ cho nó lại rất hoành tráng. Bộ phận lớn nhất của thiết bị là hệ thống ống nước của một chiếc tủ lạnh cao cấp, có tác dụng làm giảm nhiệt độ xung quanh hai qubit xuống mười milli độ trên nhiệt độ không tuyệt đối. Cái lạnh cải thiện độ tin cậy của chiếc máy tính. Một dụng cụ khác tạo ra các tín hiệu vi sóng có tác dụng thao túng các qubit và đưa chúng vào bất cứ mức độ chồng chéo nào mà người làm thí nghiệm mong muốn.
Việc chạy thuật toán này của Grover yêu cầu một chiếc máy tính thông thường phải có ba bước hoặc ít hơn – nếu sau khi kiểm tra quân bài thứ ba mà bạn vẫn chưa tìm ra con Q, ban biết nó sẽ ở quân bài thứ tư – trung bình bạn sẽ mất 2.25 bước. Một chiếc máy tính lượng tử có thể xử lý quá trình trên chỉ trong một bước. Đó là bởi vì các qubit có thể biểu thị các giá trị khác nhau trong cùng một thời điểm. Trong ví dụ câu đố bốn quân bài, mỗi quân bài được đại diện bởi một trong bốn trạng thái: 0,0; 0,1; 1,0; 1,1. Schoelkopf quy định một trong bốn trạng thái này là con Q, và chiếc máy tính lượng tử sẽ phải tìm ra đó là trạng thái nào. “Phép màu đến từ trạng thái ban đầu của chiếc máy tính,” ông giải thích. Cả hai qubit đều được bố trí, thông qua loạt xung bức xạ vi sóng, trong sự chồng chéo của không và một, sao cho mỗi qubit biểu thị hai trạng thái cùng một lúc, và hai qubit cùng nhau biểu thị cả bốn trạng thái.
“Thông tin có thể, theo một cách nào đó, được biểu hiện trong không gian ba chiều khi sử dụng toàn bộ cả chiếc máy tính; đó là cái mà chúng tôi tận dụng,” Devoret giải thích. “Đây là thuộc tính bạn sẽ không tìm thấy ở một bộ xử lý thông tin cổ điển. Một bit phải ở trong một trạng thái – nó phải ở đây hoặc ở kia. Sẽ có ích hơn khi bit đó ở khắp mọi nơi.”
Thông qua sự chồng chéo và vướng víu lượng tử, chiếc máy tính có thể cùng lúc kiểm tra từng vị trí khả thi của con Q. “Hiện tại chúng tôi chỉ có tỉ lệ số câu trả lời đúng là tám mươi phần trăm, và thấy rằng kết quả này thật ấn tượng,” Schoelkopf nói.
Với thuật toán của Grover, hay trên lý thuyết với thuật toán của Shor, các phép tính được thực hiện một cách song song, mặc dù không nhất thiết phải ở các thế giới song song. “Như thể tôi có một số lượng khổng lồ các máy tính đang cùng lúc kiểm tra các thừa số nguyên tố,” Schoelkopf kết luận. “Bạn bắt đầu với một trạng thái được xác định rõ ràng, và bạn kết thúc với một trạng thái được xác định rõ ràng. Ở giữa quá trình đó là một trạng thái vướng víu điên rồ, nhưng không sao cả.”
Schoelkopf nhấn mạnh rằng cơ học lượng tử là một hệ thống kì quặc nhưng nó thực sự chính xác. “Những sự kì lạ đó, như sự chồng chéo và vướng víu – chúng có vẻ giống như những hạn chế, nhưng thực tế lại là nguồn tài nguyên có thể được khai thác. Cơ học lượng tử không còn là một học thuyết mới mẻ hay đáng kinh ngạc đến mức chúng ta phải coi chúng là kì quặc nữa.”
Schoelkopf dường như muốn nói rằng các câu hỏi liên quan đến sự tồn tại như những gì Thuyết Nhiều Thế giới đặt ra cuối cùng có thể, đơn giản là không sử dụng được. “Nếu phải mô tả một kết quả trong phòng thí nghiệm của tôi dựa theo con chip tính toán,” ông giải thích, “cộng thêm dụng cụ đo đạc, cộng thêm chiếc máy tính thực hiện việc thu thập dữ liệu, cộng thêm một người thí nghiệm ngồi ở ghế băng… đến một thời điểm nào đó bạn sẽ phải bỏ cuộc và nói, bây giờ cơ học lượng tử không còn là vấn đề nữa, giờ tôi chỉ cần một kết quả kinh điển thôi. Đến một thời điểm nào đó bạn sẽ phải đơn giản hoá, bạn sẽ phải lược đi một vài thông tin lượng tử.” Khi tôi hỏi ông nghĩ thế nào về Thuyết Nhiều Thế giới và những sự diễn giải “sụp đổ” – nghĩa là việc “nhìn vào” gây ra một sự thay đổi trạng thái từ vướng víu sang không vướng víu – ông nói, “có một ngôn ngữ thay thế mà tôi ưa thích sử dụng khi mô tả cơ học lượng tử, và nó thực sự nên được gọi là Sự sụp đổ của nhà Vật lí học (Collapse of the Physicist).” Đó không chỉ là một cụm từ dễ thương, ông thực sự hàm ý một thứ gì đó lớn lao khi nói như vậy. “Trên thực tế quan trọng là ta nên khép lại cuộc bàn luận về vấn đề ở đâu.”
Tôi nghĩ rằng Deutsch có thể thấy hứng thú với nghiên cứu của nhóm ở Đại học Yale, và tôi đã email cho ông về tiến độ xây dựng các máy tính lượng tử. “Ồ, tôi chắc chắn chúng sẽ có ích ở mọi mặt,” ông trả lời. “Dù vậy, thực sự tôi chỉ là một khán giả của vật lí học thực nghiệm mà thôi.”
*****
Ngài Arthur Conan Doyle chưa bao giờ thích những truyện trinh thám xây dựng cao trào/kịch tính bằng cách triển khai các manh mối theo thời gian. Conan Doyle muốn viết truyện ở trong đó các chi tiết để phá án xuất hiện ngay từ đầu, và cao trào sẽ nảy ra, như trong truyện của Poe
[6](#footnote-6-1838) mà ông (Doyle) trích dẫn như những tiền lệ, trong những hoạt động tư duy của người tư duy lý tưởng của ông. Câu chuyện về điện toán lượng tử đi theo một mô típ kiểu Sherlock Holmes, bởi tất cả các manh mối để phát triển một chiếc máy tính lượng tử đã tồn tại ở đó ngay từ khi khám phá ra cơ học lượng tử, chờ đợi một khối óc có khả năng giải mã chúng.
Nhưng những cây bút trinh thám không phải lúc nào cũng có thể tuân theo tính duy lý của các tác phẩm lý tưởng của họ. Conan Doyle tin vào “thuyết duy linh” và thần tiên, ngay cả những người duy linh và thợ săn thần tiên nổi tiếng nhất luôn tự tiết lộ rằng những điều đó là giả. Conan Doyle cũng bị thuyết phục rằng người bạn của ông, Harry Houdini
[7](#footnote-7-1838) có những siêu năng lực; Houdini không thể thuyết phục được ông theo hướng khác. Conan Doyle *biết chắc* rằng có một thế giới tâm linh ngoài đó, và ông dành những thập kỉ cuối cùng của cuộc đời để thu thập các chứng cứ từ việc hồi tưởng lại quá khứ để bảo vệ niềm tin sắt đá của ông.
Các nhà vật lí học là các thám tử bản thể học. Chúng ta nghĩ các nhà khoa học hoàn toàn lý trí, đều cởi mở trước mọi luận điểm. Nhưng việc bắt đầu bằng một niềm tin và sử dụng năng lực trí tuệ để bảo vệ niềm tin ấy là một phương pháp thực sự
*có hiệu quả* với các nhà khoa học, trong đó có Deutsch. Ta có thể lập luận rằng ông mơ mộng ra điện toán lượng tử bởi ông tin rằng khoa học có thể giải thích thế giới. Deutsch hẳn sẽ không đồng ý.
Trong cuốn “
*The Fabric of Reality*,” Deutsch viết, “Tôi còn nhớ hồi nhỏ được bảo rằng, trong thời cổ đại người ta có thể biết *mọi tri thức tồn tại của nhân loại*. Tôi cũng được bảo rằng ngày nay có quá nhiều tri thức đến mức không ai có thể học được nhiều hơn một phần nhỏ bé của chúng, ngay cả trong một kiếp dài. Phát biểu thứ hai đã làm tôi ngạc nhiên và thất vọng. Thực ra, tôi đã từ chối tin vào nó.” Công trình của cả đời Deutsch là một nỗ lực để ủng hộ cho sự hoài nghi mang tính trực giác ấy – một sự thu thập luận cứ cho một niềm tin ông nắm giữ chỉ vì ông biết vậy.
Deutsch rất giỏi né tránh các câu hỏi về nguồn căn cho các ý tưởng của ông. Ông nói đùa với tôi rằng ý tưởng nảy ra khi ông dự các buổi tiệc, mặc dù tôi có cảm giác rằng đã nhiều năm rồi ông chưa tham dự một buổi tiệc nào. Ông nói, “Tôi không thích cái kiểu viết báo khoa học đi vào tiểu tiết như vậy. Nó làm người đọc có cái nhìn không đúng. Như kiểu báo viết rằng Brahm suốt ngày chỉ uống cà phê đen và tự bắt mình phải viết một số dòng nhạc nhất định trong ngày. Thế này,” ông tiếp tục, “Tôi không thể ngăn cô viết một bài báo về một ông người Anh kì quặc tin vào sự tồn tại của các vũ trụ song song. Nhưng tôi cho rằng kiểu tư duy đó giống như một sự gây thất vọng tới người đọc. Nó gần giống với việc nói rằng, Nếu ngày nay bạn không phải là người dị hợm theo những cách này, bạn chẳng có hy vọng gì để là một người tư duy sáng tạo. Nó không đúng. Sự khác thường chỉ là phần nổi mà thôi.”
Việc nói chuyện với Deutsch cảm giác như một bài tập nghiên cứu thực tế về lý trí đi theo ham muốn; ham muốn của Deutsch là trở thành tay sai của lý trí thuần tuý. Như ông đã nói trong lời tán dương Freud, “Ông ta đã làm rất tốt việc phụng sự thế giới. Ông ấy đã làm cho việc nói về các cơ chế hoạt động của tâm trí trở nên bình thường, mà một vài cơ chế trong đó chúng ta có thể không biết. Lý thuyết của ông ta thì sai cả, không có một điều gì mà ông ấy nói là đúng cả, nhưng điều này cũng không quá tệ. Ông ta là người đi tiên phong, một trong những người đầu tiên thử tư duy dựa trên lý trí.”
Multi universes (multiverse hay meta-universe) là giả thuyết về sự tồn tại của các vũ trụ song song, bao gồm vũ trụ mà chúng ta đang sinh sống. Tổng hợp lại, những vũ trụ này chứa tất cả mọi thứ tồn tại: không gian, thời gian, vật chất, năng lượng, các định luật vật lý và những hằng số miêu tả chúng. Các vũ trụ trong hệ thống đa vũ trụ được gọi là “các vũ trụ song song,” “các vũ trụ khác,” hoặc “các vũ trụ thay thế.”
Những người ủng hộ một hoặc nhiều hơn các giả thuyết đa vũ trụ gồm có Stephen Hawking, Brian Greene, Max Tegmark, Alan Guth, Andrei Linde, Michio Kaku, và David Deutsch.[\footnote] và đã nghĩ ra một chiếc máy tính không tưởng để kiểm tra sự tồn tại của các thiên hà đó. Tiêu đề của những cuốn sách của ông nghe rất hùng hồn (“
*The Fabric of Reality*,” “ *The Beginning of Infinity*”) (Tạm dịch: Kết cấu của Thực tại, Sự khởi nguồn của sự vô tận). Ông rất ít khi rời khỏi nhà của mình. Nhiều đồng nghiệp thân cận còn không gặp ông nhiều năm rồi, ngoại trừ trong các cuộc thảo luận thông qua Skype.
Chưa bao giờ có một công việc chính thức, Deutsch lại là cha đẻ của điện toán lượng tử[footnote]Điện toán lượng tử nghiên cứu các hệ thống tính toán trên giả định (máy tính lượng tử) có áp dụng trực tiếp các cơ chế của cơ học lượng tử, như sự chồng chéo hay vướng víu lượng tử. Điện toán lượng tử được kì vọng là một trong các phương pháp xử lí thông tin tiến bộ trong tương lai, khi đó các máy tính lượng tử (hay siêu máy tính) sẽ thực hiện các phép tính phức tạp trong một khoảng thời gian ngắn hơn so với những chiếc máy tính cổ điển.
[↩](#note-1-1838)
Chồng chéo lượng tử là một nguyên lí cơ bản của cơ học lượng tử. Nguyên lí này phát biểu rằng hai (hay nhiều hơn) trạng thái lượng tử có thể được ghép vào nhau (“chồng lên” nhau) và kết quả là một trạng thái lượng tử hợp lệ, giống như các sóng trong vật lý học cổ điển; và ngược lại, mọi trạng thái lượng tử có thể được biểu diễn dưới dạng tổng của hai hay nhiều hơn các trạng thái riêng biệt khác.
[↩](#note-2-1838)
George Eliot là bút danh của Mary Anne Evans (sinh ngày 22 tháng 11 năm 1819 – mất ngày 22 tháng 12 năm 1880), một tiểu thuyết gia, nhà thơ, nhà báo, dịch giả người Anh. Bà nổi tiếng với bút pháp chân thực về các vấn đề xã hội và đạo đức của cuộc sống trung lưu tại miền quê nông thôn.
Franz Kafka (sinh ngày 3 tháng 7 năm 1883 – mất ngày 3 tháng 6 năm 1924), là nhà văn Tiệp, viết tiếng Đức và được xem là một trong những nhà văn lớn nhất thế kỉ XX. Văn chương của Kafka đặc biệt nổi tiếng ở chỗ nó hòa quyện cái phi lí và có lí theo cách trái ngược với suy nghĩ thông thường, điều này đòi hỏi người đọc phải có cái nhìn rộng lớn và chi tiết mới có thể thấu hiểu.
Qua những thông tin trên, ta có thể thấy tác giả so sánh cơ học lượng tử với Kafka nhằm nhấn mạnh sự “khó hiểu” của ngành Vật lý này.
Trong điện toán lượng tử, một qubit hay quantum bit là một đơn vị trong lĩnh vực khoa học thông tin lượng tử – tên gọi tương ứng trong vật lý lượng tử của một bit trong vật lý cổ điển. Mỗi qubit là một hệ thống cơ học lượng tử hai trạng thái, ví dụ như sự phân cực của một photon đơn: ở đây hai trạng thái sẽ là phân cực đứng và phân cực ngang. Trong một hệ thống cổ điển, một bit chỉ tồn tại ở một trong hai trạng thái. Tuy nhiên, cơ học lượng tử cho phép một qubit ở trong sự chồng chéo của cả hai trạng thái cùng lúc, một đặc tính quan trọng của điện toán lượng tử.
[↩](#note-4-1838)
Một bẫy ion là sự kết hợp của các điện trường hoặc từ trường, được sử dụng để thu được các hạt tích điện, thường ở trong một hệ thống biệt lập với môi trường bên ngoài. Một số ứng dụng khoa học của bẫy ion bao gồm phân tích quang phổ khối, nghiên cứu vật lý cơ bản, và kiểm soát các trạng thái lượng tử.
[↩](#note-5-1838)
Edgar Allan Poe (sinh ngày 19 tháng 1 năm 1809 – mất ngày 7 tháng 10 năm 1849) là một nhà văn, người biên tập và nhà phê bình văn học người Mỹ. Poe được biết đến chủ yếu qua thơ ca và các truyện ngắn, đặc biệt là những câu chuyện bí ẩn và rùng rợn của ông. Ông được coi là hình tượng trung tâm của Chủ nghĩa lãng mạn Mỹ và nền văn học Mỹ nói chung, và ông cũng là một trong những cây bút truyện ngắn đầu tiên của đất nước này. Ông vẫn thường được nhắc đến như cha đẻ của thể loại tiểu thuyết trinh thám và được biết đến nhiều hơn với những đóng góp cho thể loại khoa học viễn tưởng. Poe là nhà văn Mỹ nổi tiếng đầu tiên kiếm sống chỉ bằng việc viết lách, điều này dẫn đến những khó khăn về mặt tài chính trong cuộc sống và sự nghiệp của ông.
[↩](#note-6-1838)
Harry Houdini (sinh ngày 24 tháng 3 năm 1874 – mất ngày 31 tháng 10 năm 1926) là một ảo thuật gia và người biểu diễn nhào lộn người Mỹ gốc Hungary, nổi tiếng với những màn trốn thoát giật gân của mình. Ông thu hút được sự chú ý tại một sân khấu tạp kĩ ở Mỹ và sau đó trong chương trình “Harry Handcuff Houdini” (Tạm dịch: “Harry Houdini với còng tay”) trong một chuyến lưu diễn ở châu u, ở đó thử thách đặt ra cho các lực lượng cảnh sát là phải trói ông lại. Không lâu sau ông đã mở rộng vốn tiết mục ra bao gồm dây xích, dây thừng móc trên các tòa cao ốc, áo bó (loại áo bó có hai ống tay rất dài để có thể buộc lại) dưới nước, và việc phải trốn thoát cùng lúc nhịn thở từ bên trong một bình sữa chứa nước được đóng kín.
[↩](#note-7-1838) [ở đây](http://zeally.net/donate/)nhé.
[Tại sao nâng cấp não bộ khiến con người ít “con người” hơn](http://zeally.net/tai-sao-nang-cap-nao-bo-khien-con-nguoi-it-con-nguoi-hon/)
[Từ bài toán về các vị tướng Byzantine đến Bitcoin](http://zeally.net/tu-bai-toan-ve-cac-vi-tuong-byzantine-den-bitcoin/)
[Có phải Google đang khiến chúng ta trở nên ngu ngốc?](http://zeally.net/co-phai-google-dang-khien-chung-ta-tro-nen-ngu-ngoc/)
[Chúng ta đã thuần hóa loài chó như thế nào?](http://zeally.net/chung-ta-da-thuan-hoa-loai-cho-nhu-the-nao/) [Google và những bí mật đen tối của con người](http://zeally.net/google-va-nhung-bi-mat-den-toi-cua-con-nguoi/) [Những kẻ móc túi đã đánh lừa chúng ta như thế nào](http://zeally.net/nhung-ke-moc-tui-da-danh-lua-chung-ta-nhu-the-nao/) [Làm thế nào để thiết kế một thành phố dành cho phụ nữ?](http://zeally.net/lam-the-nao-de-thiet-ke-mot-thanh-pho-danh-cho-phu-nu/) [Vị Đạt Lai Lạt Ma cuối cùng?](http://zeally.net/vi-dat-lai-lat-ma-cuoi-cung/) [Bài học thành công từ những ngôi trường tại Phần Lan](http://zeally.net/bai-hoc-thanh-cong-tu-nhung-ngoi-truong-tai-phan-lan/)
[Những kẻ móc túi đã đánh lừa chúng ta như thế nào](http://zeally.net/nhung-ke-moc-tui-da-danh-lua-chung-ta-nhu-the-nao/)
[Google và những bí mật đen tối của con người](http://zeally.net/google-va-nhung-bi-mat-den-toi-cua-con-nguoi/)
[Chúng ta đã phát minh ra bãi biển như thế nào?](http://zeally.net/chung-ta-da-phat-minh-ra-bai-bien-nhu-the-nao/)
[Làm thế nào để thiết kế một thành phố dành cho phụ nữ?](http://zeally.net/lam-the-nao-de-thiet-ke-mot-thanh-pho-danh-cho-phu-nu/)
[Emoji đã trở thành ngôn ngữ toàn cầu như thế nào?](http://zeally.net/emoji-ngon-ngu-toan-cau/)
## 2 thoughts on “Cỗ máy trong mơ”
Vật lý kì lạ thật đấy .___.
Có cái nhìn về máy tính lượng tử. Bài này dài thiệt

WARC-Type: response

Content-Type: application/http; msgtype=response

WARC-Identified-Payload-Type: text/html

Content-Type: text/html; charset=UTF-8

X-Crawler-Transfer-Encoding: chunked

Connection: keep-alive

Vary: Accept-Encoding,Cookie

Link: <http://zeally.net/wp-json/>; rel="https://api.w.org/", <https://wp.me/p6OfJv-tE>; rel=shortlink

X-Crawler-Content-Encoding: gzip