Khái niệm về máy tính xác suất (probabilistic computer) - Một sự thay thế cho máy tính lượng tử?

Bài viết được dịch từ "Poor man's qubit can solve quantum problems without going quantum" trên tạp chí Science Daily

Máy tính lượng tử sẽ cần phát triển qua nhiều thập kỷ nữa để sẵn sàng giải quyết các vấn đề mà máy tính cổ điển ngày nay không có khả năng giải quyết. Tuy nhiên, hiện nya có một khái niệm mới nổi được gọi là "máy tính xác suất" có thể thu hẹp khoảng cách giữa điện toán cổ điển và điện toán lượng tử.

Các kỹ sư tại Đại học Purdue ở Hoa Kỳ và Đại học Tohoku ở Nhật Bản đã chế tạo phần cứng đầu tiên chứng minh các đơn vị cơ bản của máy tính xác suất - còn được gọi là p-bit - có khả năng thực hiện một phép tính mà máy tính lượng tử thường được yêu cầu để thực hiện.

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 18 tháng 9 năm 2019, giới thiệu một thiết bị làm cơ sở để xây dựng các máy tính xác suất, nhằm giải quyết hiệu quả các vấn đề trong các lĩnh vực nghiên cứu ma túy, mã hóa, an ninh mạng, dịch vụ tài chính, phân tích dữ liệu và chuỗi cung ứng hậu cần (logistics).

Phân biệt máy tính cổ điển, máy tính lượng tử và máy tính xác suất

Máy tính cổ điển ngày nay lưu trữ và sử dụng thông tin dưới dạng bit. Một bit có thể nhận một trong hai giá trị: 0 hoặc 1. Máy tính lượng tử sử dụng các qu-bit có thể cho 2 giá trị 0 và 1 cùng một lúc. Vào năm 2017, Vào năm 2017, một nhóm nghiên cứu của Đại học Purdue được dẫn dắt bởi giáo sư kỹ thuật điện và máy tính Supriyo Datta, đã đề xuất ý tưởng về một máy tính có xác suất sử dụng p-bit có thể bằng 0 hoặc 1 tại bất kỳ thời điểm nào và dao động nhanh giữa 2 giá trị.

"Có một tập hợp con hữu ích của các vấn đề có thể giải quyết được với các qu-bit và cũng có thể được giải quyết bằng p-bit. Bạn có thể nói rằng p-bit là 'qubit của người nghèo'," Datta nói. Trong khi các qu-bit cần nhiệt độ thực sự lạnh để hoạt động, p-bit hoạt động ở nhiệt độ phòng giống như các thiết bị điện tử ngày nay, vì vậy phần cứng hiện tại có thể được điều chỉnh để chế tạo một máy tính xác suất.

Máy tính xác suất hoạt động như thế nào?

Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã chứng minh cách để xây dựng một máy tính xác suất. Bộ mạch này bao gồm một phiên bản sửa đổi của thiết bị bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính (màu đỏ) để kết nối 8 p-bits.

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo một thiết bị là phiên bản sửa đổi của bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính (MRAM) mà được một số loại máy tính ngày nay sử dụng để lưu trữ thông tin. Công nghệ này sử dụng sự định hướng của nam châm để tạo ra các trạng thái điện trở tương ứng bằng 0 hoặc 1.

Các nhà nghiên cứu của Đại học Tohoku gồm William B Border, Shusuke Fukami và Hideo Ohno đã thay đổi một thiết bị MRAM, cố tình khiến cho nó không hoạt động ổn định để tạo điều kiện tốt hơn cho khả năng dao động của p-bit. Các nhà nghiên cứu của Đại học Purdue đã kết hợp thiết bị này với một bóng bán dẫn để chế tạo một thiết bị ba cực có biến động có thể được kiểm soát. 8 đơn vị p-bit như vậy đã được kết nối với nhau để xây dựng nên một máy tính xác suất.

Điều gì đã xảy ra khi máy tính xác suất được đưa vào thử nghiệm?

Hệ thống mạch này đã giải quyết thành công một vấn đề "lượng tử" nhức nhối: Chia nhỏ hoặc bao thanh toán các con số như 35.161 và 945 thành các số nhỏ hơn, phép tính được gọi là hệ số nguyên. Những tính toán này nằm trong khả năng của các máy tính cổ điển ngày nay, nhưng các nhà nghiên cứu tin rằng phương pháp xác suất được trình bày trong bài viết này sẽ chiếm ít không gian và năng lượng hơn.

"Trên một con chip, mạch này sẽ chiếm cùng một diện tích với một bóng bán dẫn, nhưng để thực hiện chức năng này thì phải dùng hàng ngàn bóng bán dẫn. Nó cũng hoạt động theo cách có thể tăng tốc tính toán thông qua hoạt động song song của một số lượng lớn của p-bit", Ahmed Zeeshan Pervaiz, đang học bậc Tiến sỹ, ngành kỹ thuật điện và máy tính tại Đại học Purdue.

Trên thực tế, cần hàng trăm p-bit để giải quyết các vấn đề lớn hơn - nhưng không phải là quá xa vời để thực hiện điều đó, các nhà nghiên cứu nói.

"Trong tương lai gần, p-bit có thể giúp máy móc học tốt hơn con người, tối ưu hóa định tuyến để các thiết bị máy tính xác suất có thể được đưa vào thị trường", Kerem fouari, một chuyên gia nghiên cứu Sau tiến sĩ tại Đại học Purdue ngành kỹ thuật điện và máy tính cho biết.

Đọc các bài viết về .NET và các thông tin liên quan đến lĩnh vực công nghệ thông tin tại Dotnet Tip Of The Day