| abstract
| - “Nè, Onii-chan, máy vi tính lượng tử là gì?” ——Thực sự có bao nhiêu anh trai trên thế giới này có thể đưa ra một câu trả lời thích đáng một cách trôi chảy, khi bị một imouto-san năm nhất cao trung chẳng xuất sắc về toán lẫn lý hỏi câu vậy ngay tại chỗ không, mà ngay từ đầu, con bé đã không hiểu biết gì về cấu trúc máy tính Neumann? Chí ít, tôi không phải là một super onii-sama, nên tôi nhét lấy nhét để mấy hạt đậu tằm bên kia vào miệng, cứ cắm nĩa vào là đút vào mồm ngay, rồi ‘hừm’ giây lát. “Hmmmmmm.” Lúc đó, imouto-san của tôi lộ nét mặt có chút hối lỗi từ tận đáy lòng, và hơi cúi đầu. “Ah, em xin lỗi, có những thứ mà cả anh cũng không biết, Onii-chan nhỉ? Đáng ra em không nên lúc nào cũng hỏi anh, lâu lâu em cũng nên tự thân tìm hiểu mới phải.” Làm «Onii-chan» đâu phải chuyện đùa, giờ tôi không thể ngoan ngoãn rút lại lời khi cô bé đã nói thế. Trong lúc đậu tằm còn chờ đợi trong miệng, tôi hắng giọng ‘ahem’. “Không, maah, không phải thế đâu, anh sẽ giải thích sơ lược cho em.” “Ưm!” Hăng hái gật đầu, em gái tôi, Kirigaya Suguha, mỉm cười hồn nhiên. Mẹ chúng tôi, một biên tập viên cho tập san điện tử, thường xuyên không dậy sớm, nên những bữa sáng thứ Bảy và Chủ Nhật, Suguha và tôi đã quen chuẩn bị thức ăn cho 3 người, nhưng chỉ 2 người ngồi ăn. Menu hôm nay khá đơn giản để làm, cơm ý với xốt trắng đóng hộp, salad rau diếp đảo Cos, súp lơ và đậu tằm, sữa chua dâu tươi và cà phê sữa bỏ nhiều sữa. Sau khi tay phải cho mấy hạt đậu vào mồm, tôi bắt đầu nói. “Ờm, trước hết, lượng tử là gì……” “Cái đó thì em biết. Là hạt cơ bản! Như nguyên tử, hay electron.” Không chậm trễ một nhịp, tôi phát hiện ngay lỗi Suguha mắc phải trong nháy mắt. “Bubu——Sai mất 2 chỗ.” “Cái gì, đâu thế?” “Đầu tiên, nguyên tử không phải hạt cơ bản. Vì nguyên tử được cấu tạo nên từ proton, neutron và electron.” “Thế, 3 cái kia là hạt cơ bản à?” “Bububu——Sách cũ thì có nói thế, nhưng hiện tại, trong 3 thành phần, chỉ còn electron là hạt cơ bản. Bởi vì proton và neutron đã được khám phá ra rằng chúng cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn gọi là «quark». Nói cách khác, quark là hạt cơ bản.” Sau khi lẩm nhẩm trong đầu ‘ít ra bây giờ là thế’, tôi chỉ ra lỗi sai thứ hai. “Hơn nữa, lượng tử không tương đương với hạt cơ bản.” “Gì cơ……?” “‘Hạt cơ bản’ là khái niệm thuộc «vật chất», nhưng ‘lượng tử’ là từ chỉ «trạng thái»……” “Cái gìì……?” Tới lúc này, một dấu hỏi nhỏ đã mọc trên đầu Suguha, nên tôi nhanh chóng chen thêm. “N-nói cách khác, hạt cơ bản là đơn vị nhỏ nhất của «vật chất», lượng tử là đơn vị nhỏ nhất của «vật lý lượng»……” Dấu hỏi của Suguha to lên size trung bình. Nếu cô bé hiểu sai chỗ này, không cách nào đi tới máy vi tính lượng tử được. “Đ-được rồi, anh sẽ giải thích theo lối tượng trưng. Món cơm Ý này khoảng 200…… không, 300 kilocal, đúng không?” Sau khi tôi nói thế, Suguha gật đầu, dẫu mặt cô hơi khó chịu. “Vậy hạt cơm trong đĩa là hạt cơ bản không thể phân giải nhỏ hơn và chỉ chứa khoảng 0,001 kilocal…… tức là, 1 cal, đúng không?” “Hừm, không thể được. Nếu em nhớ không nhầm, chúng ta đã học là một đĩa cơm đầy có khoảng 3000 hạt, nên nếu giả sử có chừng đó hạt, một hạt lẻ sẽ có 300 chia 3000, là 0,1 kilocal…… 100 cal, chứ? Để có 1 cal, anh phải chia hạt gạo thành 100 phần nhỏ.” “Nhưng, vì nó là hạt cơ bản, em không thể làm thế. Nói khác đi, calorie, không, năng lượng đĩa cơm ý chỉ có thể biểu diễn theo số hạt gạo…… trị số 100 cal đó phân phát mỗi hạt đều nhau. Hãy coi khái niệm năng lượng nhỏ nhất là lượng tử.” “Hmm…… có vẻ em hiểu, mà cũng không……” Suguha vẫn ngơ mặt, nhưng tôi không biết cứ kẹt ở đây thì sẽ mất bao lâu, nên tôi phải thúc đường đi tới. “Chậc, thực tế, em có thể chia một hạt gạo thành bao nhiêu phần tùy thích, nhưng trong trường hợp đó, ví dụ, năng lượng điện tích, đơn vị nhỏ nhất là một electron và nó tuyệt đối không thể bị chia nhỏ thêm, nên một electron lúc này là một hạt lượng tử. Năng lượng ánh sáng cũng có đơn vị nhỏ nhất, và đó là photon. Đó cũng là lượng tử. Tức là, lượng tử là một cách nói ám chỉ hạt cơ bản thông qua đặc tính «không thể chia nhỏ thêm»…… không biết anh nói thế đã ổn chưa.” “Uh huh.” Lần này có vẻ đã hiểu được phần nào, Suguha múc một hạt cơm nhỏ và xơi trong khi trề môi. “Vì vậy ra, lượng tử không phải là object, mà là đơn vị, à?” Mặc dù tôi thấy có chút không thể để đồng ý với câu hỏi đó, nhưng tôi quyết định nói ‘ừm’, kệ cái lỗi bé tẹo của cô bé, và gật đầu. “Ừm, maah, nghĩ thế tạm thời cũng được. Giờ, cuối cùng cũng quay lại chủ đề…… Computer lượng tử, chính xác là một computer dùng các hạt lượng tử!” ‘Ta-dah’, hoàn thành câu nói trong khi thâm tâm tôi mừng rơn thành tiếng như vậy, tôi uống chút cà phê sữa để giải khát cái họng, rồi thở dài nhẹ nhõm khi kết thúc vấn đề mà không gặp sự cố. Thế nhưng. “Nè——nè——nè! Chừng đó, ai chẳng nói được! Giống như khi ai đó hỏi anh ‘«kirikaeshi gosuku» là gì?’ thì anh lại trả lời ‘5 quy tắc khi thực hiện kirikaeshi’!” Sau khi cô lập tức đáp lại như thế, tôi cứ trố mắt nhìn mặt em gái mình, một thành viên câu lạc bộ kendo. Thực sự, kirigaeshigosoku hai gì gì đó chắc là thuật ngữ kendo; tôi không hiểu gì nhiều hơn thế. “…… A-anh xin lỗi. Vậy, anh nói tiếp……” “Uh-huh, mời anh.” “…………” Sau khi xúc một muỗng đầy cream risotto cùng phô mai đến nỗi căng cả má để nạp lại năng lượng, tôi suy xét cách để xử lý các vấn đề phức tạp hơn. Đầu tiên, tất nhiên là tôi phải bắt đầu với cái này à. “Ờ, Suguha-san. Liên quan về computer ta thường dùng, cái tên Neumann…… cần phải giải thích…… nhỉ?” “Cái gì thế anh?” “Vậy là cần à?” Chuẩn bị cho một lời giải thích dài hơi, tôi lại đằng tiếng một lần nữa. “Ờ, maah, nói tóm gọn, dãy Neumann là một dãy số học chỉ gồm 0 và 1…… Tức là, được xử lý bởi chữ số nhị phân. Thông tin được biểu diễn bằng một ô chứa 0 hoặc 1 thì là 1 bit. Nếu có 8 ô, thì gọi là 8 bit. CPU mới nhất hiện nay là 128-bit, tức có thể vận hành 128 ô chứa 0 hoặc 1 cùng một lúc.” “Hmm…… Và nó có gì ngạc nhiên?” “Có chứ! Chỉ có 2 cách để biểu diễn 0 hoặc 1 chỉ với 1 bit. Nếu là 2 bit, thì sẽ có 4 cách: 00, 01, 10, 11; chuyển sang hệ thập phân thì sẽ là 0, 1, 2 và 3. Thế, nếu ta có 4 bit, sẽ có bao nhiêu cách biểu diễn?” “8…… khoan! Ơơ…… Nếu 2 bit là 4 cách, 3 bit là 8 cách, vậy 4 bit là 16 cách?” “Ồ, đúng rồi đó. Nói cách khác, những số có thể xử lý với CPU 4 bit là 0 đến 15.” “Hmmm. Khi những cái bit đó tăng lên, có điều gì tốt xảy ra à?” Bị hỏi trước một ánh mắt nghiêm túc thế, tôi không thể trả lời tức khắc được. Sẽ có rất nhiều câu chuyện hay ho, nhưng để tìm một ví dụ đến cả Suguha có thể hiểu thì…… “Maah, chẳng hạn nhé, nếu lấy hệ điều hành 32-bit cũ, thì memory của nó chỉ dùng nhiều nhất là 4 gigabyte, nhưng nếu là hệ điều hành 64-bit, nó có thể dùng 16 exabyte, tương đương 17,2 trăm triệu gigabyte……” “Waa, một PC cũ chỉ có 4 gigabyte memory thôi à? Đến cả AmuSphere còn nhiều gấp mấy lần thế……” “Th-thấy chưa, bit tăng lên là tốt, đúng không?” Cách này hay cách khác, tôi có vẻ đã thuyết phục cô bé đồng ý với ý kiến, nên sau khi làm một ngụm đầy cà phê sữa, tôi trở lại cốt truyện của cuộc hội thoại. “……Vậy thì, cùng đếm lại một lần nữa nhé, 128 bit thì có thể biểu diễn bao nhiêu số?” “Hm-ooo…… v-vì nó nhân cho 2, nên 5 bit thì được 32 số, 6 bit thì 64, 7 bit thì 128, 8 bit thì 256…… Cứ thế này thì em không thể làm tới 128 chỉ với tính nhẩm trong não!” “Ừm, anh cũng không thể. Nói cách khác, đó là 2 mũ 128, để xem nào……” Quả nhiên, không có cách nào tôi có thể chơi với một số to như thế chỉ bằng tính nhẩm, nên tôi cố tính bằng máy tính bảng di động để trên bàn. “Xem nào……340282366920938463463374607431768211456, chắc là thế. 39 chữ số à…… Số trong kanji tới hàng nào là cao nhất để biểu diễn cái này nhỉ……? Một trăm ngàn vạn……” “Em không biết chuyện đó, cứ biết đó là một siêu siêu lớn! Ý em là…… nếu đến cả một PC hiện giờ cũng đã có thể tính toán được một số không tưởng vậy, thì cần gì tới computer lượng tử chứ!” Tôi vội vã chặn lời imouto-san của mình, cô bé chỉ với một chiêu đã chém bỏ cái machine đáng mơ ước mà tất cả các nhà khoa học khắp thế giới đã và đang bỏ biết bao công sức nghiên cứu. “Ch-chờ chút nào. Ngay cả một CPU 128-bit kinh ngạc thế cũng có chỗ yếu.” “……Như cái gì?” “Ví dụ, phân tích thừa số nguyên tố.” Nghe xong, mặt Suguha như muốn nói ‘Cái gì thế kia?’. “Em học ở trung học rồi, phải không? Là phân tích các số nguyên thành tích các thừa số nguyên tố, nhỉ? Anh không nhớ rõ lắm vì nó rắc rối quá.” “Oh, giờ nói tới mới nhớ. Vậy, em thử phân tích 33 thành thừa số nguyên tố xem?” “Để em coi, nó không chia hết cho 2, vậy nếu chia 3 thì được 11…… đó là một số nguyên tố, nên thế là xong. Đáp là 3 x 11.” “Đúng. Vậy……” “Phân tích thừa số nguyên tố của 7663 thì sao?” “Uii!?” Hí lên một tiếng kì cục, Suguha nhăn trán, rồi sau khi suy nghĩ, bắt đầu bấm bấm cái máy tính bảng di động của mình. “Chia 3…… không hết, 5 thì rõ ràng là không, 7…… cũng không, 11 cũng thế, 13 à, ooo, giờ số nguyên tố tiếp theo là mấy……” “Thấy chưa, không đơn giản, đúng không? Tiện thể, câu trả lời cho bài toán bây giờ là 79 x 97. Đưa câu hỏi này thì đơn giản, nhưng nó chỉ có thể chia cho 2 số nguyên tố khá lớn.” “Ugh, em nghĩ là em hiểu rồi…… Ah, nhưng, nếu dùng computer, chỉ mất chốc lát với những tính toán bây giờ, đúng không? Nó chỉ có thể chia 7663 lần lượt cho các số nguyên tố và đưa ra câu trả lời khi tới được 79.” “Ừm, kiểu vậy. Chỉ với nhiêu đây số, chưa tới 1/10 giây là xong. Thế nhưng, các số nguyên tố thì vô hạn. Khi số chữ số nhiều hơn, thời gian cần để phân tích tăng lên theo hàm mũ. Việc phân tích thừa số nguyên tố được sử dụng trong «Mã Hóa RSA», nhằm hỗ trợ chúng ta trên net, nhưng, nếu em định phân tích loại khóa 2048 bit——…… tức là, 617 chữ thành số nguyên tố bằng cách dùng computer Neumann, có khi phải mất đến hàng chục năm hoặc hơn, ngay cả máy tính tốc độ nhanh nhất hiện nay.” “H-Hàng chục năm!?…… Ý anh là đến cả Yui-chan cũng phải cần chừng đó thời gian?” Khoảnh khắc tôi nghe câu hỏi của Suguha, kệ cho lúc này đang ở thế giới thực, tôi vẫn nhanh chóng đảo mắt xung quanh. May quá, con gái yêu của tôi, AI loại top-down Yui hình như không nghe thấy, nên tôi thở phào nhẹ lòng. “Nè, đừng nói với Yui kiểu đó! Em biết tính nó rồi, con bé chắc sẽ nói “Em sẽ thử!” và rồi hàng chục năm không quay lại đấy.” “Ahaha, chắc là thế nhỉ.” Nhìn Suguha cười vô tư thế, tôi thở dài. Rồi quẳng đống cream risotto nghiền vào miệng và sắp xếp đầu óc trong khi nhai nhồm nhoàm. “Vì thế, chà, có những mặt mà computer hiện tại vẫn yếu kém.——Nhưng, nếu một máy tính lượng tử được đưa vào, nó có thể phân tích nguyên tố của những số cực lớn trong nháy mắt…… chắc là thế. Nó đồng nghĩa với nếu được sử dụng rộng rãi khắp thế giới, hệ thống mật mã trông có vẻ an toàn trọn vẹn hiện nay sẽ sụp đổ nhanh chóng.” “Hmmm…… Thế, làm thế nào một computer lượng tử phân tích chúng nhanh chóng?” Y như tôi nghĩ, tôi cũng sẽ phải giải thích cái đấy à, và ngay sau đó tôi bất giác nhắm mắt. Thực lòng, tôi không tự tin chắc là mình có thể hiểu ‘làm thế nào’ điều đó xảy ra. Nhưng, nếu tôi bỏ cuộc ở đây, thì mọi nỗ lực nãy đến giờ là công cốc, thành ra tôi liều lĩnh thách thức bản thân. “Maah, anh đã giải thích lượng tử là gì lúc đầu rồi.” “Ừm. Chúng là các hạt không thể chia nhỏ hơn.” “……Ma-Maah, đúng vậy. Vì thế, vì các hạt lượng tử cực kì nhỏ, hàng tá chuyện lạ lùng xảy ra. Một trong số chúng là «trạng thái chồng chất»…… chẳng hạn nhé, nếu em thử đóng một nguyên tử và cái hộp nhỏ. Nguyên tử đó sẽ quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược kim đồng hồ, nhưng điều đó không thể biết được cho đến khi xác minh. Không phải là không biết, chỉ là chưa quy định. Đó là trạng thái mà spin lẫn lộn giữa cùng và ngược chiều kim đồng hồ.” “Waa?” Suguha nói, trong khi mặt và mắt lại bảo ‘anh đang chém gió gì thế’. “Thế thì chỉ cần chọn ra một cái thôi! Mở hộp ra là biết ngay mà!” “Em nói vui tính thật, vì nguyên tử rất nhỏ, một khi mở hộp ra, thì sự dao động, chiều quay, v.v của nó sẽ thay đổi. Nói trắng ra, lý do tại sao một computer lượng tử chính cống vẫn chưa hiện hữu bây giờ, anh nghĩ phần lớn là vì quá khó để đo đạc nguyên tử…… tức là, trạng thái lượng tử của nó, một cách chính xác.” “Hmm……” Tuy vẫn còn thấy khó để hiểu, Suguha cũng gật đầu. “……Vậy, nếu vòng quay của nguyên tử bị chồng chéo, có điều gì hay à?” “Phải. Chẳng hạn, nếu lấy chiều quay phải là 0, quay trái là 1 thì một nguyên tử sẽ có thông tin là 1 bit nhưng…… spin chồng chéo là trạng thái cả 0 và 1 đều xuất hiện. Đây là bit lượng tử hay qbit, nhưng điều quan trọng là, đối nghịch với computer tồn tại hiện nay được xây dựng cơ bản tính một lúc một số, một computer lượng tử dùng bit lượng tử có thể tính vô số số cùng lúc. Đằng nào đi nữa, như em biết đấy, là vì chúng chạy chồng lên nhau.” “Waaa?” “Anh hiểu rất rõ cảm xúc em muốn nói ra thế nào, Sugu. Nhưng, bây giờ, vui lòng nén lại nhé!” Vừa nhồi đầy miệng với đậu tằm, mặt Suguha thật khó để biết là đang nghĩ gì khi cô bé đơ cả miệng, nhưng chẳng lâu sau, cô lại nuốt ực chỗ đậu trong lúc lẩm bẩm. “Được rồi, anh bắt đầu từ những chỗ anh hiểu…… Vậy là, chúng ta tạo ra computer lượng tử bằng cách xếp 2048 nguyên tử có thể quay hoặc theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại. Sau đó, ta nhập một số 2048-bit…… tức, 617 chữ số siêu khổng lồ mà anh nói lúc nãy, rồi phân tích thành thừa số nguyên tố. Và vì bấy giờ máy tính lượng tử có thể chia số nguyên tố đồng thời nhiều số nhờ cơ chế chồng chất, những phép tính sẽ hoàn tất chỉ trong tích tắc, mặc dầu một computer hiện thời sẽ mất hàng chục năm. Jaa, em thấy sao, không tuyệt vời à!” Suguha liếc nhìn tôi - một người đang ráng sức tìm cách vượt qua vấn đề bằng rất nhiều cố gắng – bằng đôi mắt ngước lên rồi buông một câu ngắn gọn mà tàn nhẫn. “Onii-chan, em rất tiếc. Nửa sau, em hoàn toàn không hiểu anh nói gì.”
|
![[RDF Data]](/fct/images/sw-rdf-blue.png)