Google và NASA hợp tác nghiên cứu trí tuệ nhân tạo bằng máy tính lượng tử

Google và NASA mới đây thông báo rằng họ đang hợp tác để cùng nhau ra mắt một phòng thí nghiệm mới tập trung vào việc nghiên cứu trí tuệ nhân tạo. Cơ sở này sẽ mang tên "Quantum Artificial Intelligence Lab" (tạm dịch: phòng thí nghiệm trí tuệ nhân tạo lượng tử) và tọa lạc ở khuôn viên của Trung tâm nghiên cứu Ames của NASA ở California. Tại đây, Google và NASA sẽ lắp đặt một siêu máy tính lượng tử để các nhà khoa học từ Đại học Nghiên cứu Không gian (USRA) cũng như từ các nước khác trên khắp thế giới cùng sử dụng. Mục tiêu chung của cả hai công ty là đánh giá xem máy tính lượng tử sẽ giúp ích được gì cho trí tuệ nhân tạo. Google cũng muốn xem rằng những giải pháp thực tế nào có thể được xây dựng bằng quantum computer.

Google tin rằng điện toán lượng tử chính là thành phần vô giá trong việc phát triển các công nghệ nhận dạng giọng nói, công nghệ tìm kiếm trên web. Nó cũng sẽ giúp các nhà khoa học dựng ra được các mô hình tốt hơn trong lúc tìm hiểu về dịch bệnh, thời tiết, địa chất...

Google cho biết thêm rằng hãng đã phát triển một số thuận toán để máy tính lượng tử nhận ra những loại dữ liệu khác nhau một cách nhanh chóng và đây là tiền đề cho việc tiết kiệm điện trên thiết bị di động. Những thuận toán này cũng có thể lọc riêng ra một cách hiệu quả những thông tin bị lỗi hoặc không được ghi chú, đánh dấu cụ thể trong một luồng dữ liệu "bị ô nhiễm nặng". Tất nhiên, những thuận toán này sẽ được phát triển thêm để phục vụ cho quá trình nghiên cứu trí tuệ nhân tạo.

Được biết nhà cung cấp chiếc máy tính lượng tử dùng ở phòng thí nghiệm của Google-NASA là D-Wave Systems. Việc tương tác giữa các "chấm lượng tử" sẽ giúp máy tính chạy được nhiều phép tính cùng lúc, từ đó "tìm ra giải pháp tối ưu" cho các vấn đề mà máy tính bình thường (hoạt động dựa trên các bóng bán dẫn) không thể đảm đương được. Tuy nhiên, hãng cũng có tiết lộ thêm rằng hiệu quả sẽ được tăng lên khi kết hợp cả máy tính lượng tử với máy tính truyền thống.

Các máy tính lượng tử hoạt động bằng những nguyên lí lượng tử như hiện tượng đồng chất, điện tử rối rắm để xử lí dữ liệu. Trong máy tính thông thường chạy bởi bóng bán dẫn, mỗi bit được biểu diễn là 0 hoặc 1, nhưng trong máy tính lượng tử, một bit có thể có nhiều giá trícùng một lúc nên việc tính toán được nhanh hơn. Máy tính lượng tử dùng những tính chất lượng tử đặc biệt để biển thị dữ liệu chứ không mã hóa theo hệ nhị phân như máy tính bán dẫn.

Theo Google

"A Boy and His Atom" - đoạn phim nhỏ nhất thế giới được IBM Research thực hiện bằng nguyên tử

Hoạt hình tĩnh vật (stop animation) là một thể loại phim hoạt hình đòi hỏi sự đầu tư lớn về thời gian và tính tỉ mỉ. Nhưng mới đây, nhóm các nhà khoa học tại viên nghiên cứu IBM Research, Almaden, California đã thực hiện một công việc còn công phu hơn đó là sử dụng kính hiển vi quét chui hầm STM để tạo ra đoạn phim hoạt hình tĩnh vật nhỏ nhất thế giới bằng các nguyên tử. Mục đích của đoạn phim là nhằm thu hút sự quan tâm của cộng đồng về công nghệ mới có thể làm tăng bộ nhớ máy tính lên rất nhiều lần so với hiện nay.

Bộ phim có tựa đề "A Boy and His Atom" được thực hiện bằng cách sắp xếp vị trí các nguyên tử để định hình 242 khung hình tĩnh từ đó tạo ra các hình ảnh chuyển động. Bộ phim nói về một nhân vật có tên Atom, anh chàng này kết bạn với một nguyên tử và cả 2 cùng chơi với nhau, nhảy múa, đuổi bắt và tung mình trên một tấm bạt lò xo.

Andreas Heinrich, nghiên cứu trưởng tại IBM Research cho biết: "Việc nắm bắt, sắp xếp và định hình các nguyên tử để tạo ra một bức ảnh động cở bản trên cấp độ nguyên tử là một công tác khoa học đòi hỏi sự chính xác cao và rất mới lạ. Tại IBM, các nhà nghiên cứu không chỉ tìm hiểu về khoa học mà chúng tôi phải làm khoa học. Đoạn phim này là một cách vui vẻ để chia sẻ với mọi người về thế giới ở tỉ lệ nguyên tử đồng thời mở ra một cuộc đối thoại với các bạn sinh viên và những ai quan tâm về những giới hạn mới của toán học và khoa học."

Cận cảnh kính hiển vi quét chui hầm STM.

Được phát triển vào năm 1981 bởi Gerd Binnig và Heinrich Rohrer tại IBM Zürich, kính hiển vi quét chui hầm (Scanning Tunneling Microscope - STM) hoạt động dựa trên nguyên lý chui hầm lượng tử - một hiệu ứng mô tả sự chuyển dịch của hệ vật chất từ trạng thái này sang trạng thái khác mà không bị ngăn cản bởi các quy luật vật lý cổ điển. STM sử dụng một mũi dò nhọn có kích thước bằng một nguyên tử. Đầu dò được đặt vào một điện tích và di chuyển rất nhanh, rất gần trên bề mặt của một vật mẫu. Nếu nó bắt gặp một nguyên tử, hiệu ứng chui hầm lượng tử sẽ khiến các electron truyền qua lại giữa đầu dò và nguyên tử. Máy tính có thể phân tích hoạt động này và tính toán vị trí của nguyên tử, từ đó thiết lập hình ảnh nguyên tử. Đây là một quy trình rất tỉ mỉ phải được thực hiện dưới nhiều điều kiện được kiểm soát nghiêm ngặt và tại các mốc nhiệt độ siêu thấp.

"Chiếc kính hiển vi quét chui hầm từng đoạt giải Nobel Vật Lý nói trên là thiết bị đầu tiên cho phép các nhà khoa học hình dung được thế giới ở tỉ lệ nguyên tử," Christopher Lutz - nhà nghiên cứu khoa học tại IBM Research cho biết. "Nó nặng những 2 tấn, hoạt động ở nhiệt độ -268 độ C và có thể phóng to bề mặt của một nguyên tử lên 100 triệu lần. Khả năng kiểm soát nhiệt độ, áp suất và chấn động ở nhiều mức độ một cách chính xác đã khiến phòng thí nghiệm IBM Research trở thành một trong số ít những cơ sở trên thế giới có thể di chuyển các nguyên tử với độ chính xác cực cao."

Sự tương tác giữa đầu dò và nguyên tử tương tự sự tương tác trong phản ứng hóa học, giúp các nguyên tử dính vào nhau. Điều này cho phép kính hiển vi STM có thể được sử dụng như một chiếc cần cẩu lượng tử để gắp các nguyên tử và dịch chuyển chúng đến chính xác nơi mà các nhà khoa học mong muốn.

Để thực hiện đoạn phim, họ sử dụng một bề mặt bằng đồng đặt cách đầu dò của STM chỉ 1 nanomet. Các nguyên tử được sắp xếp trên bề mặt bằng một phương pháp rất sáng tạo. Kính hiển vi STM không thể cùng lúc vừa di chuyển nguyên tử vừa ghi lại hình ảnh của chúng nên các nhà khoa học đã thiết kế lại chiếc máy để nó tạo ra âm thanh phản hồi khi nguyên tử chuyển động. Qua đó, họ có thể biết được khi nào nó chuyển từ một vị trí sang vị trí tiếp theo. Bằng cách này, các nguyên tử có thể được tái sắp xếp để thiết lập các khung hình và tạo ra hình ảnh động.

Sự kết thúc của định luật Moore:

Qua đoạn phim, các nhà khoa học tại IBM Almaden muốn thu hút sự chú ý của cộng đồng đến với mục tiêu vượt qua một rào cản sẽ xuất hiện trong tương lai gần của ngành công nghiệp máy tính. Rào cản này còn được biết đến với tên gọi định luật Moore. Theo định luật Moore, "mật độ của các bán dẫn trên mỗi đơn vị inch vuông sẽ tăng gấp đôi sau 2 năm". Tuy nhiên, điều các nhà khoa học lo ngại là thời gian tăng số đôi của các bán dẫn trên một đơn vị diện tích đang bị kéo dài ra và nếu kích cỡ của bán dẫn không thể được thu nhỏ thêm nữa (khi kiến trúc của bán dẫn được rút xuống mức độ phân tử), định luật Moore sẽ bị phá vỡ.

Với suy nghĩ này, IBM đã sử dụng phương pháp tiếp cận đi từ dưới lên trên. Đối với máy tính hiện đại, để lưu trữ một bit dữ liệu cần đến gần 1 triệu nguyên tử. Nhưng đến hiện tại, IBM đã tìm cách xây dựng đơn vị lưu trữ dữ liệu từ tính nhỏ nhất bao gồm chỉ 12 nguyên tử và nhóm nghiên cứu cho rằng nếu một bộ nhớ nguyên tử có thể được hiện thực hóa, những chiếc điện thoại di động ngày nay có thể chứa tất cả các bộ phim từng được sản xuất trong lịch sử, đó là chưa kể sách ebook và nhạc.

Heinrich nói: "Nghiên cứu có nghĩa là đưa ra những câu hỏi để tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật ngắn hạn cho vấn đề trên. Khi dữ liệu được tạo ra và tiêu thụ ngày một nhiều hơn thì đơn vị lưu trữ dữ liệu cần phải nhỏ hơn, xuống đến cấp độ nguyên tử. Chúng tôi đang áp dụng những kỹ thuật tương tự được sử dụng để phát triển các cấu trúc điện toán mới và những phương pháp thay thế để lưu trữ dữ liệu."

Đoạn phim đã được Sách kỷ lục Guinness thế giới xác nhận là đoạn phim nhỏ nhất và kỷ lục này có lẽ sẽ không bao giờ bị phá vỡ bởi khi thực hiện dưới cấp độ nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử sẽ bị chi phối và không thể tạo ra hình ảnh thấy được như video mà các bạn sắp xem dưới đây.

Theo: IBM; Gizmag

Phòng thí nghiệm Los Alamos phát triển thành công mạng lượng tử siêu bảo mật

Mặc dù thời đại máy tính lượng tử vẫn chưa đến nhưng các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, bang New Mexico đã phát triển một mạng máy tính mới, siêu bảo mật với khả năng truyền dẫn dữ liệu được mã hóa bởi vật lý lượng tử. Nhóm nghiên cứu cho biết mạng máy tính lượng tử hiện tại bao gồm một máy chủ và 3 máy khách. Chúng được vận hành liên tục tại Los Alamos từ cách đây 2,5 năm. Trong suốt một thời gian này, họ cũng đã truyền gởi thành công những thông tin khẩn cấp được sử dụng bởi các cơ quan công quyền. Mong muốn sau cùng của họ là thử nghiệm khả năng giao tiếp lượng tử ngoại tuyến trên các thiết bị di động như điện thoại thông minh và máy tính bảng.

Ý tưởng cơ bản của mạng lượng tử là hoạt động của một đối tượng đo lượng tử luôn đổi, chẳng hạn như một photon. Nếu tin tặc cố tình xem trộm một thông điệp lượng tử, hành vi này chắc chắn sẽ để lại dấu vết và người nhận có thể phát hiện được. Vì vậy, mạng lượng tử cho phép chúng ta gởi một khóa mật mã OTP (One-time Pad là thuật toán duy nhất trên lý thuyết không thể bị phá vỡ) và sau đó khóa OTP có thể được sử dụng để bảo mật thông tin được gởi đi bằng các giao tiếp truyền thống.

Một công ty có tên ID Quantique cũng đã khai thác thương mại mạng lượng tử bằng việc bán ra một hệ thống có thể dùng ngay và sản phẩm đã thu hút sự chú ý của các ngân hàng và nhiều tổ chức quan tâm đến tính bảo mật.

Tuy nhiên, những hệ thống như vậy vẫn tồn tại một hạn chế rất quan trọng. Thế hệ hiện tại của hệ thống mã hóa lượng tử là những kết nối điểm đến điểm (point-to-point) trên mội sợi cáp duy nhất. Vì vậy, chúng có thể gởi các thông điệp được bảo mật từ điểm A đến điểm B nhưng không thể định tuyến sang các điểm C, D, E hoặc F. Bởi lẽ khi định tuyến một thông điệp cũng có nghĩa là đọc một phần của thông điệp để xác định nơi nó cần được định tuyến. Hoạt động này chắc chắn sẽ tác động đến thông điệp, ít nhất là với các bộ định tuyến thông thường. Do đó, đây là một rào cản khiến Internet lượng tử vẫn chưa khả thi với công nghệ ngày nay.

Giờ đây, nhà nghiên cứu Richard Hughes cùng các cộng sự tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã tìm cách khắc phục hạn chế trên bằng một phương pháp tiếp cận khác, đó là phát triển một một mạng lượng tử dựa trên cấu trúc mạng hub (trung tâm) và spoke (chi nhánh). Tất cả các thông điệp đều được định tuyến từ mọi điểm trong mạng lưới đến một điểm khác thông qua điểm trung tâm này.

Đây không phải là lần đầu tiên cấu trúc mạng hub-spoke được thử nghiệm. Ý tưởng ở đây là các thông điệp gởi đến hub sẽ phụ thuộc vào một cấp độ bảo mật lượng tử thông thường. Nhưng một khi đã có mặt tại hub, chúng được chuyển đổi thành các bit cơ bản và sau đó có thể tái chuyển đổi thành các bit lượng tử để gởi đến điểm tiếp theo. Vì vây, chừng nào hub còn an toàn thì mạng lưới sẽ được bảo mật tối đa.

Vấn đề của phương pháp tiếp cận này là khả năng mở rộng. Khi số lượng kết nối đến hub tăng, rất khó để có thể quản lý tất cả các kết nối khả dụng giữa các điểm trong mạng lưới. Hughes và các cộng sự cho biết họ đã giải quyết vấn đề này theo một phương pháp đặc biệt: trang bị cho các nút mạng các bộ truyền dẫn lượng tử sử dụng tia laser thay vì dùng các máy dò photon đắt tiền và cồng kềnh.

Chỉ hub mới có khả năng nhận thông điệp lượng tử. Các nút mạng mặc dù có thể nhận và gởi thông điệp nhưng đây là những thông điệp cơ bản. Mỗi nút mạng vẫn được phép gởi khóa mật mã OTP đến hub và hub sẽ sử dụng để giao tiếp an toàn trên một đường dẫn kết nối thông thường. Hub sau đó sẽ tiếp tục định tuyến thông điệp này đến một nút mạng khác sử dụng mật mã OTP được thiết lập sẵn. Do đó, toàn bộ mạng lưới được bảo mật với điều kiện hub cũng được bảo mật.

Một ưu điểm lớn của hệ thống là nó đơn giản hóa công nghệ cần có để thiết lập các nút mạng. Trên thực tế, nhóm nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo thành công các mô-đun dạng cắm vào dùng ngay (plug-and-play) với kích thước chỉ bằng một hộp diêm. Họ cho biết: "Thế hệ mô-đun tiếp theo sẽ nhỏ hơn rất nhiều lần về kích thước."

Mục tiêu sau cùng của Hughes cùng các cộng sự là tích hợp những mô-đun thu nhỏ vào mọi thiết bị được kết nối với mạng cáp quang, chẳng hạn như TV box, máy tính, v.v… để các thông điệp như tin nhắn cá nhân hay chữ ký điện tử được gởi nhận an toàn.

Với hơn 2 năm rưỡi thử nghiệm hệ thống, nhóm nghiên cứu tại Los Alamos rất tự tin vào tính hiệu quả của mạng lượng tử mà họ tạo ra. Tuy nhiên, như đã nhắc lại nhiều lần ở trên, sự tồn tại của một điểm trung tâm hay hub chính là hạn chế lớn nhất. Ngược lại, một mạng Internet lượng tử đơn thuần sẽ cho phép giao tiếp bảo mật giữa mọi điểm trong mạng lưới. Thêm nữa, phương pháp của Hughes sẽ trở nên lạc hậu khi những bộ định tuyến lượng tử được thương mại hóa. Vì vậy câu hỏi đặt ra đối với mọi nhà đầu tư là liệu họ có thể hồi vốn trước thời gian này hay không.

Theo: The Verge; Technology Review