Các nhà nghiên cứu hi vọng ý tưởng của họ có thể giúp giữ nguội cho chip máy tính lượng tử. (Ảnh: Heidi Hostettler)
Xóa dữ liệu – làm trống bộ nhớ để sử dụng nó lần nữa – là một thao tác cơ bản mà mọi máy vi tính phải thực hiện. Trong máy vi tính ngày nay, việc xóa dữ liệu làm phát sinh nhiệt, cái những không những tiêu phí năng lượng, mà còn gây khó khăn đối với những kĩ sư muốn chế tạo những chiếc máy vi tính ngày một nhỏ hơn và mạnh hơn, vì nhiệt sinh ra có thể làm hỏng mạch điện. Nhưng nay các nhà vật lí lí thuyết khẳng định rằng, trong thế giới điện toán lượng tử, hoạt động xóa dữ liệu thật ra có thể làm nguội máy tính.
Máy vi tính cổ điển sinh nhiệt khi xóa dữ liệu vì entropy – một khái niệm trung tâm trong lí thuyết nhiệt động lực học lẫn lí thuyết thông tin mô tả lượng thông tin chưa biết trong một hệ. Entropy của vũ trụ có thể không bao giờ giảm; cho nên nếu bạn giảm entropy của một chip nhớ, thì chắc chắn bạn làm tăng entropy của môi trường xung quanh nó, làm cho chúng nóng lên. Trong điện toán cổ điển, dữ liệu được lưu trữ dưới dạng một chuỗi bit dài, chúng có thể đọc là một hoặc không. Để xóa những dữ liệu này, toàn bộ các bit phải được thiết lập lại bằng không, nghĩa là đưa bộ nhớ vào trạng thái entropy bằng không. Vì hoạt động này thường đồng nghĩa với việc giảm entropy, cho nên sẽ làm phát sinh nhiệt.
Tuy nhiên, trong lí thuyết thông tin, entropy của một tập hợp dữ liệu nhất định phụ thuộc vào việc người quan sát biết bao nhiêu về dữ liệu đó. Đối với một người quan sát có toàn bộ kiến thức về dữ liệu đó, thì entropy, theo định nghĩa, là bằng không. Do đó, xét trên phương diện lí thuyết, có khả năng cho người quan sát xóa bỏ dữ liệu mà không làm giảm entropy và không làm sinh nhiệt.
Phá vỡ sự vướng víu
Nghiên cứu hiện nay của Renato Renner và các đồng nghiệp tại trường ETH Zurich ở Thụy Sĩ và trường Đại học quốc gia Singapore mở rộng sự lí giải này cho sự điện toán lượng tử. Hai qubit (bit lượng tử) có thể ở trong một trạng thái “vướng víu” trong đó, trong khi người ta chẳng biết gì về từng qubit riêng lẻ, toàn bộ thông tin về trạng thái vướng víu đó được biết một cách chắc chắn. Nếu một qubit bộ nhớ máy vi tính ở trong một trạng thái vướng víu với một qubit dữ liệu bị xóa, thì entropy điều kiện của những dữ liệu này thật ra là âm, vì máy vi tính đó biết hết mọi thông tin không những về dữ liệu mà còn về bản thân nó nữa. Điều này tựa như một người chồng nhìn chăm chăm vào mắt vợ và biết rõ mồn một trong đầu người phụ nữ đáng yêu ấy đang suy nghĩ những gì.
Nhưng nếu sự vướng víu đó bị phá vỡ, thì bộ nhớ máy tính không còn biết chút thông tin nào nữa. Giờ thì nó có thể xóa dữ liệu, đưa chúng vào trạng thái entropy zero, và vẫn làm tăng entropy tổng. Điều này có nghĩa là, trên lí thuyết, khi dữ liệu bị xóa từ một máy vi tính lượng tử, thì nhiệt thật sự bị lấy khỏi môi trường xung quanh, mặc dù phần nhiệt này có thể không bao giờ nhiều hơn nhiệt phát sinh bởi sự tạo dữ liệu lúc ban đầu.
Nghiên cứu trên dễ dàng mở rộng để khảo sát những ngụ ý nhiệt động lực học của khái niệm entropy điều kiện âm, không mang lại một thiết kế cơ bản nào cho máy vi tính lượng tử hết. Tuy nhiên, biết rằng việc giữ hệ trên cực lạnh có khả năng là quan trọng đối với việc bảo toàn những trạng thái lượng tử mong manh trong bất kì máy vi tính lượng tử thực tế nào, các nhà nghiên cứu hi vọng công trình của họ có thể tỏ ra hữu ích cho nhiều nghiên cứu ứng dụng hơn nữa. “Loại điều khiển cần thiết có lẽ cần vài ba năm nữa, nhưng khi chúng ta đạt tới mục tiêu đó, thì phương pháp của chúng tôi có thể làm cho những sự tính toán hiệu quả hơn”, phát biểu của Lídia del Rio, thành viên của đội nghiên cứu ETH Zurich.
Nhà lí thuyết thông tin Charles H Bennett thuộc Trung tâm nghiên cứu IBM ở New York, một trong những kiến trúc sư trọng yếu của sự xóa entropy zero, tỏ ra hứng thú nhưng còn hoài nghi. “Ý tưởng entropy điều kiện đã được phát triển trong lĩnh vực mật mã học và truyền tải thông tin, trong khi công trình này đang cố gắng áp dụng nó cho chi phí nhiệt động lực học của sự điện toán. Không rõ nó sẽ hữu ích như thế nào trong lĩnh vực đó nhưng thật là một nỗ lực khoa học tốt nếu muốn áp dụng nó cho lĩnh vực đó”.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature.
Nguồn: physicsworld.com
