Đề tài Toán lượng tử và vấn đề mô phỏng trên máy tính truyền thống

ghiÖm thµnh c«ng viÖc chÕ t¹o m¸y tÝnh l­îng tö 7-qubit, ®iÒu ®ã chØ ra r»ng, viÖc chÕ t¹o nh÷ng chiÕc m¸y tÝnh l­îng tö c«ng nghiÖp chØ cßn lµ vÊn ®Ò thêi gian. §èi víi n­íc ta, ®øng tr­íc mét lÜnh vùc ®Çy tiÒm n¨ng nh­ng còng ®Çy th¸ch thøc nµy, c©u hái ®Æt ra lµ: chóng ta ph¶i lµm g× ®Ó b¾t kÞp víi sù ph¸t triÓn cña thÕ giíi? Râ rµng chóng ta kh«ng thÓ chê cho ®Õn khi m¸y tÝnh l­îng tö c«ng nghiÖp ra ®êi bëi ®iÒu g× sÏ x¶y ra khi nh÷ng hÖ thèng b¶o mËt cña quèc gia bÞ ph¸? ChÝnh v× vËy viÖc ®Çu t­ nh©n lùc vµ tiÒn cña vµo nghiªn cøu m¸y tÝnh l­îng tö lµ kh«ng thÓ tr¸nh khái, vµ c«ng viÖc nµy diÔn ra cµng sím cµng tèt. Tuy nhiªn viÖc ®Çu t­ cho mét dù ¸n nghiªn cøu chÕ t¹o m¸y tÝnh l­îng lµ kh«ng thùc tÕ trong hoµn c¶nh n­íc ta bëi nã ®ßi hái rÊt nhiÒu tiÒn cña, h¬n n÷a nÒn c«ng nghÖ vµ vËt lý cña n­íc ta cßn nhiÒu h¹n chÕ. Do ®ã h­íng nghiªn cøu chiÕn l­îc víi n­íc ta sÏ lµ tËp trung nghiªn cøu c¸c thuËt to¸n l­îng tö vµ c¸c m« h×nh tÝnh to¸n l­îng tö. §Ó thùc hiÖn ®­îc ®iÒu ®ã, viÖc x©y dùng mét ch­¬ng tr×nh m« pháng tÝnh to¸n l­îng tö trªn hÖ m¸y tÝnh truyÒn thèng nh­ lµ mét bé c«ng cô trî gióp viÖc nghiªn cøu c¸c thuËt to¸n l­îng tö lµ ®iÒu thiÕt yÕu. Víi thùc tÕ ®ã, nhãm chóng t«i ®Ò xuÊt x©y dùng mét bé c«ng cô m« pháng lµm h¹t nh©n cho viÖc h×nh thµnh mét labo nghiªn cøu vÒ m¸y tÝnh l­îng tö ë ViÖt Nam theo mét tiÕp cËn hoµn toµn míi. H­íng gi¶i quyÕt HiÖn nay trªn thÕ giíi xuÊt hiÖn rÊt nhiÒu ch­¬ng tr×nh m« pháng tÝnh to¸n l­îng tö nh­: labo cña Kieu Tien Dung( Centre for atom optics and ultrafast spectroscopy, Swinburne University of Technology, Howthorn 3122, Australia), Gregory David Baker( Computer science at Macquaie University) víi h­íng tiÕp cËn dïng lËp tr×nh thñ tôc, Bernhard Oemer( Department of Theoretical Physics Technical University of Vienna) víi h­íng tiÕp cËn dïng C/C++, ch­¬ng tr×nh jaQuzzi( www.physics.bufalo.edu/~phygons/jaQuzzi) víi h­íng tiÕp cËn dïng Java,… Trong nghiªn cøu m« pháng tÝnh to¸n l­îng tö cã hai xu h­íng chÝnh: thø nhÊt lµ viÕt c¸c ch­¬ng tr×nh m« pháng cho tõng thuËt to¸n cô thÓ, thø hai lµ nghiªn cøu x©y dùng mét bé c«ng cô cho phÐp thùc thi mét m¹ch bÊt kú. Râ rµng h­íng thø nhÊt khã cã thÓ ph¸t triÓn ®­îc víi qui m« lín vµ tù ®éng. Theo h­íng thø hai, mÆc dÇu cã kh¶ n¨ng ph¸t triÓn thµnh mét bé c«ng cô m¹nh nh­ng cÇn ph¶i gi¶i quyÕt mét sè vÊn ®Ò ®Æt ra mµ nh÷ng ch­¬ng tr×nh hiÖn nay trªn thÕ giíi ch­a gi¶i quyÕt ®­îc, ®ã lµ vÊn ®Ò bïng næ d÷ liÖu theo hµm luü thõa víi sè qubit ®Çu vµo - mét b¶n chÊt cña m« h×nh tÝnh to¸n l­îng tö, kÌm theo ®ã lµ vÊn ®Ò kiÓm so¸t vµ xö lý d÷ liÖu. Víi C/C++, chóng ta sÏ mÊt nhiÒu c«ng søc vµo vÊn ®Ò tæ chøc l­u tr÷ d÷ liÖu lín vµ x©y dùng mét bé c«ng cô víi giao diÖn th©n thiÖn hç trî ng­êi dïng v× ng«n ng÷ kh«ng hç trî nhiÒu module ®å ho¹. Víi Java, chóng ta kh«ng thÓ tèi ­u ®­îc vÒ mÆt tèc ®é, ®Æc biÖt lµ khi ph¶i xö lý víi d÷ liÖu lín. Víi mét sè ch­¬ng tr×nh dïng Mathemetica hay Mathlab, viÖc kiÓm so¸t d÷ liÖu lµ kh«ng chñ ®éng v× nã phô thuéc vµo c¸c nhµ thiÕt kÕ Mathemetica, Mathlab vµ ch­a cã t­¬ng t¸c trî gióp thiÕt kÕ ë møc giao diÖn ®¬n gi¶n. §øng tr­íc thùc tÕ ®ã, trong thêi gian ®Çu nghiªn cøu, c©u hái lín nhÊt mµ nhãm cÇn tr¶ lêi ®­îc lµ: lùa chän h­íng tiÕp cËn nµo cho phï hîp, kh¾c phôc ®­îc nh÷ng h¹n chÕ cña c¸c ch­¬ng tr×nh ®· cã ®ång thêi h­íng ®Õn môc tiªu ph¸t triÓn dµi l©u cïng sù ph¸t triÓn cña m¸y tÝnh l­îng tö? XuÊt ph¸t tõ thuËt to¸n cña Deutsch-Jozsa, ®Æc biÖt lµ sau thuËt to¸n næi tiÕng cña Peter Shor [13] n¨m 1994, lý thuyÕt vÒ thuËt to¸n l­îng tö ph¸t triÓn ngµy cµng s©u vµ réng, c¸c h­íng nghiªn cøu míi liªn tôc xuÊt hiÖn. Ban ®Çu lµ m« h×nh tÝnh to¸n l­îng tö dùa trªn c¸c cæng vµ m¹ch l­îng tö, sau ®ã xuÊt hiÖn c¸c m« h×nh tÝnh to¸n l­îng tö míi nh­: Adiabetic Evolution, Quantum Radom Walks, h­íng cña Kieu Tien Dung nghiªn cøu m« h×nh trªn kh«ng gian Hilbert v« h¹n chiÒu và ph¸t triÓn c¸c ch­¬ng tr×nh m« pháng trªn m¸y tÝnh truyÒn thèng. Tuy nhiªn m« h×nh tÝnh to¸n l­îng tö trªn c¸c cæng vµ m¹ch l­îng tö vÉn lµ m« h×nh tæng qu¸t ®­îc nghiªn cøu nhiÒu nhÊt vµ gÇn víi h­íng thiÕt kÕ m¸y tÝnh l­îng tö. ChÝnh v× vËy, lùa chän ®Çu tiªn cña nhãm lµ thùc hiÖn m« pháng tÝnh to¸n l­îng tö trªn c¸c cæng vµ m¹ch l­îng tö m« pháng cho phÐp ng­êi dïng dÔ dµng thiÕt kÕ mét m¹ch l­îng tö bÊt k× mét c¸ch trùc quan dùa trªn m¸y tÝnh truyÒn thèng. VÒ t­¬ng lai l©u dµi, ch­¬ng tr×nh sÏ ph¸t triÓn më réng cho c¸c tiÕp cËn tæng qu¸t. §Ó gi¶i quyÕt vÊn ®Ò t¨ng d÷ liÖu theo hµm luü thõa víi sè qubit ®Çu vµo, nhãm ®Ò xuÊt gi¶i ph¸p tÝnh to¸n b»ng SQL trªn c¸c hÖ qu¶n trÞ c¬ së d÷ liÖu (tËp trung hoÆc ph©n t¸n). ë c«ng tr×nh nµy chóng t«i lùa chän SQL Server v× nã phï hîp víi mét labo nghiªn cøu vÒ tÝnh to¸n l­îng tö ë quy m« trung b×nh. Khi cã nhu cÇu më réng quy m« tÝnh to¸n ch­¬ng tr×nh cã thÓ dÔ dµng chuyÓn ®æi sang sö dông c¸c hÖ qu¶n trÞ d÷ liÖu kh¸c nh­ Oracle…. §©y lµ mét gi¶i ph¸p hoµn toµn míi, lÝ do cña sù lùa chän nµy lµ: + ThuËn tiÖn cho viÖc l­u tr÷ vµ qu¶n lý d÷ liÖu t¨ng theo hµm luü thõa víi sè qubit bëi viÖc l­u tr÷ b»ng c¬ së d÷ liÖu ®· ®­îc c¸c h·ng phÇn mÒm lín trªn thÕ giíi tèi ­u. + T¹o kh¶ n¨ng ¸p dông tÝnh to¸n song song cæ ®iÓn vµo m« pháng nguyªn lý song song l­îng tö, bëi viÖc thùc hiÖn tÝnh to¸n trªn m«i tr­êng song song lµ rÊt phï hîp khi dïng c¬ së d÷ liÖu. + Gi¶m thiÓu cho ng­êi lËp tr×nh khái vÊn ®Ò qu¶n lý vµ kiÓm so¸t d÷ liÖu. Cïng víi gi¶i ph¸p trªn lµ mét ch­¬ng tr×nh ®­îc x©y dùng dùa vµo c¸c c«ng nghÖ hiÖn ®¹i víi kiÕn tróc 3 tÇng: + HÖ thèng giao diÖn ®å ho¹ th©n thiÖn hç trî tèi ®a viÖc thiÕt kÕ m¹ch l­îng tö b»ng c¸c thao t¸c kÐo, th¶ quen thuéc. Nhê ®ã cã thÓ kiÓm chøng vµ ph¸t kiÕn c¸c thuËt to¸n l­îng tö trong mét thêi gian kØ lôc nhê ph­¬ng ph¸p giao diÖn ®å ho¹ kÐo th¶ t­¬ng tù nh­ c¸c ch­¬ng tr×nh hç trî thiÕt kÕ m¹ch ®iÖn tö cæ ®iÓn nh­ Circuit Maker, Work Bend..., thay cho ph­¬ng ph¸p tiÕp cËn truyÒn thèng cho tíi nay lµ mçi lÇn muèn thö nghiÖm mét thuËt to¸n m« pháng, ng­êi ta ph¶i viÕt l¹i ch­¬ng tr×nh tõ ®Çu. + Hç trî cho viÖc hiÓu vµ thùc thi cÇn cã mét ng«n ng÷ trung gian. ë ®©y chóng t«i x©y dùng míi mét ng«n ng÷ m« t¶ m¹ch, ®Æt tªn lµ QuML, ®Æc t¶ toµn bé cÊu tróc m¹ch l­îng tö ®­îc thÓ hiÖn trªn tÇng giao diÖn, mäi sù thay ®æi trªn m¹ch hiÓn thÞ ®Òu kÌm theo sù thay ®æi trong kÞch b¶n t¹o bëi QuML. + Mäi thao t¸c kÐo th¶ tõ tÇng giao diÖn th«ng qua ng«n ng÷ trung gian ®­îc truyÒn ®¹t tíi tÇng thùc thi. TÇng ch¹y: thùc thi c¸c c©u lÖnh truy vÊn SQL ®Ó m« pháng c¸c to¸n tö l­îng tö c¬ b¶n, trªn m«i tr­êng SQL Server th«ng qua sù giao tiÕp víi kÞch b¶n cã trong tÇng QuML. Nhê kiÕn tróc 3 tÇng, ch­¬ng tr×nh cã thÓ ph¸t triÓn ®­îc víi qui m« rÊt lín, sö dông tæng hîp nh÷ng c«ng nghÖ hiÖn ®¹i nhÊt nh­: C#, XML, tÝnh to¸n khoa häc b»ng ph­¬ng ph¸p truy vÊn SQL cïng nh÷ng thuËt to¸n míi h÷u hiÖu. Do nhu cÇu vµ ®Æc ®iÓm cña nhãm nghiªn cøu nªn ch­¬ng tr×nh nµy thùc hiÖn m« pháng tÝnh to¸n trªn m«i tr­êng cô thÓ lµ SQL Server. Víi h­íng tiÕp cËn trªn, chóng t«i ®· thùc hiÖn ®­îc c¸c c«ng viÖc sau: + TiÕp cËn ®­îc c¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n cña tÝnh to¸n l­îng tö vµ mét sè thuËt to¸n quan träng nh­: Deutsch-Josza, Peter Shor, Grover,…. + Cô thÓ ho¸ c¸c kiÕn thøc thu ®­îc, tõng b­íc thiÕt kÕ, hoµn thiÖn ch­¬ng tr×nh. §Õn nay, nhãm ®· x©y dùng thµnh c«ng phiªn b¶n ®Çu tiªn m« pháng tÝnh to¸n víi c¸c cæng c¬ b¶n b»ng c¸c thao t¸c kÐo, th¶ quen thuéc víi nh÷ng ng­êi dïng Window, cho phÐp nhanh chãng kiÓm thö c¸c thuËt to¸n ®· nªu víi giao diÖn t¹o m¹ch l­îng tö thuËn tiÖn. Tõ nh÷ng kÕt qu¶ ban ®Çu cho thÊy, m« pháng thiÕt kÕ cho phÐp dÔ dµng më réng vµ ph¸t triÓn l©u dµi phï hîp víi yªu cÇu cña lÜnh vùc tÝnh to¸n l­îng tö, ®ång thêi s¶n phÈm cña nhãm hoµn toµn cã thÓ ®ãng vai trß lµ bé c«ng cô hç trî tÝnh to¸n m« pháng cho mét trung t©m khoa häc nghiªn cøu c¸c thuËt to¸n trªn m¸y tÝnh l­îng tö víi quy m« võa vµ lín. C¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ m¹ch l­îng tö vµ tÝnh to¸n l­îng tö D­íi ®©y xin nh¾c l¹i mét sè kiÕn thøc c¬ b¶n vÒ tÝnh to¸n l­îng tö, vÒ chi tiÕt ng­êi ®äc cã thÓ xem [1,3,4,5,8]. Qubit H¹n chÕ cña bit cæ ®iÓn: mét bit cã thÓ biÓu diÔn mét trong hai tr¹ng th¸i: 0 hoÆc 1 (t¹i mét thêi ®iÓm x¸c ®Þnh). Do ®ã, n bit cã thÓ biÓu diÔn tr¹ng th¸i kh¸c nhau. Tuy nhiªn, theo c¸ch quan niÖm cæ ®iÓn, nÕu mét thanh ghi ®­îc t¹o nªn tõ n bit cæ ®iÓn, t¹i mét thêi ®iÓm, nã chØ cã thÓ biÓu diÔn ®óng mét gi¸ trÞ nguyªn trong kho¶ng 0 Theo quan niÖm míi vÒ qubit l­îng tö dùa trªn vËt lý l­îng tö, mét thanh ghi cã thÓ chøa ®­îc tæ hîp nhiÒu gi¸ trÞ t¹i mét thêi ®iÓm. Tr­íc hÕt ta xÐt quan niÖm míi vÒ qubit - ®¬n vÞ biÓu diÔn th«ng tin c¬ b¶n trong tÝnh to¸n l­îng tö. XÐt kh«ng gian Hilbert (tr­êng c¬ së lµ ). Nã cã c¬ së trùc giao lµ (1, 0) vµ (0, 1), ®­îc ký hiÖu t­¬ng øng lµ & . §Þnh nghÜa 1.1: Mét siªu tr¹ng th¸i (tr¹ng th¸i chång chÊt – Superposition) trªn 1-qubit ®­îc biÓu diÔn bëi mét vect¬ bÊt k× trong kh«ng gian Hilbert cã d¹ng víi vµ tho¶ m·n luËt ph©n bè x¸c suÊt . M« h×nh vËt lý: 1-qubit cã thÓ ®­îc biÓu diÔn bëi mét h¹t hai tr¹ng th¸i, nã cã thÓ lµ: spin h¹t nh©n trong ph©n tö, ion bÞ bÉy (trapped ions),... Nh­ vËy sö dông kÝ hiÖu vµ ta cã thÓ biÓu diÔn tr¹ng th¸i cña qubit, còng gièng nh­ 0 vµ 1 biÓu diÔn tr¹ng th¸i cña bit cæ ®iÓn. Tuy nhiªn, ®Ó cã thÓ thùc hiÖn tÝnh to¸n phøc t¹p ta cÇn ph¶i kÕt hîp nh÷ng qubit Êy l¹i víi nhau, t¹o thµnh thanh ghi n-qubit (n-qubit register). Thanh ghi n-qubit Mét n-qubit biÓu diÔn 1 vect¬ trong kh«ng gian Hilbert H lµ tÝch tenx¬ cña n lÇn , vect¬ nµy cã d¹ng tho¶ m·n ®iÒu kiÖn: Ci Î , S1£ i £N | Ci|2 = 1, ë ®ã | i1i2..in ñ = | i1 ñ Ä | i2 ñ Ä..Ä | in ñ, | ij ñ Î , j=1..,n. §Þnh nghÜa 1.2: Thanh ghi l­îng tö n-qubit lµ h×nh thøc vËt lý biÓu diÔn kh¶ n¨ng cña n-qubit, cho phÐp ®ång thêi l­u mét siªu tr¹ng th¸i lµ tæ hîp tuyÕn tÝnh cña vÐc t¬ c¬ së d¹ng | i1i2..in ñ thuéc H. Nguyªn lý rèi l­îng tö (entanglement) Ta xÐt vÝ dô sau ®©y: Khi tiÕn hµnh ®o mét qubit, tïy theo kÕt qu¶ cña phÐp ®o mµ ta cã ngay tr¹ng th¸i cña qubit cßn l¹i. Tøc lµ phÐp ®o ®· ¶nh h­ëng ®Õn toµn bé hÖ thèng: NÕu kÕt qu¶ lµ, tr¹ng th¸i hÖ thèng cßn l¹i lµ NÕu kÕt qu¶ lµ, tr¹ng th¸i hÖ thèng cßn l¹i lµ Suy ra: gi÷a hai hÖ thèng cã mèi quan hÖ nµo ®ã. Ng­êi ta gäi nh÷ng tr¹ng th¸i nh­ vËy lµ tr¹ng th¸i rèi l­îng tö (entanglement). Tr¹ng th¸i nµy cña qubit kh«ng thÓ ph©n tÝch thµnh tÝch tenx¬ cña hai hÖ thèng con. Nguyªn lý song song l­îng tö Thanh ghi l­îng tö cïng mét lóc cã thÓ l­u tr÷ rÊt nhiÒu tr¹ng th¸i ®¬n lÎ kh¸c nhau, nh­ng cã mét ®Æc ®iÓm ®¸ng chó ý ®ã lµ: bÊt k× mét phÐp t¸c ®éng nµo lªn mét thanh ghi l­îng tö còng sÏ t¸c ®éng ®ång bé lªn c¸c tr¹ng th¸i mµ thanh ghi ®ã l­u tr÷ (ta kh«ng thÓ t¸ch rêi c¸c tr¹ng th¸i ®Ó thao t¸c trªn chóng mét c¸ch riªng lÎ). M¹ch vµ cæng l­îng tö, cæng l­îng tö phæ dông TÝnh to¸n cæ ®iÓn ®­îc t¹o nªn bëi qu¸ tr×nh xö lý, biÕn ®æi bit cæ ®iÓn. §¬n vÞ xö lý bit ®­îc gäi lµ cæng logic. Bé vi xö lý ®­îc t¹o nªn tõ hµng triÖu c¸c cæng nh­ vËy. Ta kh«ng cÇn ®i vµo thiÕt kÕ bªn trong cña cæng mµ chØ cÇn biÕt sù t­¬ng øng cña c¸c ®Çu ra víi c¸c ®Çu vµo. Trong tr­êng hîp l­îng tö, ®¬n vÞ xö lý qubit ®­îc gäi lµ cæng l­îng tö. T¸c ®éng cña chóng lªn qubit còng gièng nh­ t¸c ®éng cña cæng logic th«ng th­êng lªn bit. Trong vËt lý l­îng tö, c¸c phÐp biÕn ®æi ®Òu ph¶i lµ c¸c to¸n tö Unita. Do ®ã trong m« h×nh to¸n häc, chóng ta còng ph¶i dïng nh÷ng to¸n tö Unita. §Þnh nghÜa 1.3: Mét cæng logic l­îng tö n-qubit biÕn ®æi n-qubit ®­îc biÓu diÔn vÒ mÆt to¸n häc bëi mét phÐp biÕn ®æi Unita t¸c ®éng lªn vect¬ siªu tr¹ng th¸i cña n-qubit ®ã. VÝ dô: Cæng Hadamard: H D¹ng ma trËn: D¹ng vect¬: Ta thÊy r»ng, khi t¸c ®éng cæng Hadamard lªn thanh ghi mét qubit, nã sÏ t¸c ®éng ®ång bé lªn c¶ 2 tr¹ng th¸i c¬ së , ®ã chÝnh lµ do nguyªn lý song song l­îng tö. §Þnh nghÜa 1.4: M¹ch l«gic l­îng tö lµ mét tËp c¸c cæng l«gic l­îng tö liªn kÕt theo mét ®å thÞ cã h­íng kh«ng chu tr×nh, trong ®ã ®Çu ra cña cæng nµy cã thÓ lµ ®Çu vµo cña cæng kia. §Þnh nghÜa 1.5: Mét tËp cæng l­îng tö G ®­îc gäi lµ phæ dông nÕu víi mäi vµ mäi ma trËn Unita U t¸c ®éng trªn sè qubit bÊt k×, U cã thÓ ®­îc xÊp xØ víi ®é chÝnh x¸c b»ng mét d·y cæng cña G. Nãi c¸ch kh¸c nhãm con t¹o nªn bëi G lµ trï mËt trong nhãm c¸c to¸n tö Unita. Tøc lµ ®­îc t¹o nªn b»ng tÝch c¸c cæng cña G sao cho: , víi mét chuÈn ®­îc lùa chän cô thÓ trong kh«ng gian Hilbert. PhÐp ®o ViÖc ®o mét qubit cña siªu tr¹ng th¸i S vÒ mÆt to¸n häc ®­îc biÓu diÔn bëi mét phÐp chiÕu vect¬ s lªn mét trong hai kh«ng gian con S0, S1 víi Sa lµ kh«ng gian con sinh bëi tÊt v¶ c¸c tr¹ng th¸i c¬ së mµ qubit ®­îc ®o lµ a. NÕu th× phÐp ®o trªn qubit ®Çu sÏ cho ra kÕt qu¶ 0 víi x¸c suÊt , kÕt qu¶ 1 víi x¸c suÊt vµ siªu tr¹ng th¸i S sÏ sôp ®æ t­¬ng øng vÒ mét trong hai tr¹ng th¸i sau: Sù sôp ®æ cña hÖ thèng sau phÐp ®o chÝnh lµ sù thÓ hiÖn cña nguyªn lý næi tiÕng vÒ sôp ®æ cña hµm sãng. VÝ dô: xÐt siªu tr¹ng th¸i 2-qubit : . PhÐp ®o trªn qubit ®Çu tiªn cho kÕt qu¶ 0 víi x¸c suÊt 2/3, kÕt qu¶ 1 víi x¸c suÊt 1/3. Nh­ vËy sau khi ®o, siªu tr¹ng th¸i sôp ®æ thµnh víi x¸c suÊt 2/3 vµ thµnh tr¹ng th¸i víi x¸c suÊt 1/3. ThuËt to¸n l­îng tö Cã thÓ x©y dùng kh¸i niÖm thuËt to¸n l­îng tö dùa trªn c¬ së m« h×nh m¸y Turing l­îng tö. Tuy nhiªn vÒ b¶n chÊt, ®Ó ng¾n gän, ta cã thÓ xem thuËt to¸n l­îng tö ®­îc thùc hiÖn bëi mét sè b­íc c¬ b¶n, mçi b­íc c¬ b¶n bao gåm mét d·y c¸c thao t¸c Unita kÌm theo mét phÐp ®o. §iÓm ®¸ng chó ý lµ nã sö dông nh÷ng ­u ®iÓm, ®Æc ®iÓm riªng cña m¸y tÝnh l­îng tö. Nhê ®ã mµ thuËt to¸n l­îng tö thËt sù ®· lµm ®­îc nh÷ng viÖc t­ëng nh­ kh«ng thÓ ®èi víi nh÷ng thuËt to¸n cæ ®iÓn. ¦u ®iÓm chñ yÕu cña thuËt to¸n l­îng tö lµ tÝnh chÊt xö lý song song: viÖc cæng l­îng tö t¸c ®éng lªn mét siªu tr¹ng th¸i n-qubit cã nghÜa lµ nã ®· t¸c ®éng ®ång thêi lªn 2n tr¹ng th¸i riªng lÎ. NhËn xÐt: + Thanh ghi l­îng tö cã kh¶ n¨ng l­u tr÷ rÊt lín. Cïng víi nguyªn lý song song l­îng tö, m¸y tÝnh l­îng tö sÏ thùc hiÖn ®­îc nh÷ng tÝnh to¸n khæng lå chØ sau vµi b­íc tÝnh to¸n. + Søc m¹nh cña m¸y tÝnh l­îng tö cho phÐp ta hi väng kh¸m ph¸ nh÷ng thuËt to¸n hiÖu qu¶ gi¶i quyÕt nh÷ng vÊn ®Ò khã nh­ nh÷ng bµi to¸n thuéc líp NP-Hard, … + Víi nh÷ng ®Æc tr­ng riªng, m« h×nh m¸y tÝnh l­îng tö høa hÑn cho phÐp chóng ta thùc hiÖn nhiÒu øng dông trong thùc tÕ nh­: truyÒn tin l­îng tö, m· vµ th¸m m· l­îng tö,... Lùa chän gi¶i ph¸p cho Visual Quantum Studio (VQS) ViÖc x©y dùng mét bé c«ng cô (Visual Quantum Studio) th©n thiÖn nh»m môc ®Ých gióp ng­êi dïng dÔ dµng thùc hiÖn c¸c thao t¸c ®ßi hái nhiÒu thiÕt kÕ phøc t¹p, sö dông nh÷ng c«ng cô hiÖn ®¹i. Tr­íc hÕt, ®Ó thùc hÞªn nh÷ng tÝnh to¸n trªn khèi l­îng d÷ liÖu rÊt lín cã b¶n chÊt song song, m«i tr­êng c¬ së d÷ liÖu lµ phï hîp h¬n c¶ ®Ó phôc vô cho viÖc tæ chøc, l­u tr÷ vµ kiÓm so¸t d÷ liÖu hiÖu qu¶, an toµn vµ æn ®Þnh. Bªn c¹nh ®ã, chóng t«i còng cÇn ph¶i lùa chän mét ng«n ng÷ thÝch hîp ®Ó xö lý trªn m«i tr­êng c¬ së d÷ liÖu. Gi¶i ph¸p mµ chóng t«i ®· chän lµ SQL Server. §ã lµ v× (xem thªm [11]) + SQL ®· trë thµnh mét chuÈn quèc tÕ vÒ xö lý c¬ së d÷ liÖu. + SQL trªn m« h×nh c¬ së d÷ liÖu quan hÖ qu¶n lý c¸c b¶n ghi mét c¸ch b×nh ®¼ng, kh«ng phô thuéc vµo trËt tù c¸c b¶n ghi ®­îc l­u tr÷. §iÒu nµy rÊt phï hîp víi nguyªn lý song song l­îng tö. + SQL hç trî kh¶ n¨ng tÝnh to¸n trªn m«i tr­êng ph©n t¸n. + SQL Server hç trî nhiÒu tÝnh n¨ng phong phó bªn c¹nh c¸c truy vÊn chuÈn. + Gi¶m thiÓu thêi gian cña nhãm lËp tr×nh trong vÊn ®Ò tæ chøc, qu¶n lý bé nhí, do ®ã nhãm ®· viÕt ch­¬ng tr×nh trong thêi gian kû lôc. + Gi¶i ph¸p mµ chóng t«i ®· chän còng lµ mét sù ph¸t triÓn tiÕp cËn trong [2]. Tuy nhiªn ®Ó thùc hiÖn ®­îc ®iÒu nµy, vÊn ®Ò ®Æt ra mµ c«ng tr×nh cÇn gi¶i quyÕt lµ chøng minh tÝnh ®óng ®¾n cña thuËt to¸n m« pháng tÝnh to¸n l­îng tö trªn m« h×nh ®¹i sè quan hÖ vµ sö dông ng«n ng÷ SQL. Bªn c¹nh viÖc xö lý tÝnh to¸n trªn c¬ së d÷ liÖu, ®Ó t¹o ra mét bé c«ng cô th©n thiÖn gióp ng­êi dïng sö dông VQS mét c¸ch dÔ dµng, chóng t«i ®· sö dông: + C«ng nghÖ .NET - lµ c«ng nghÖ hiÖn ®¹i hç trî kh¶ n¨ng ®å ho¹, ®Æc biÖt lµ hç trî kh¶ n¨ng tÝnh to¸n trªn m«i tr­êng m¹ng. + Ng«n ng÷ XML: lµ m«i tr­êng trung gian gi÷a giao diÖn ng­êi dïng vµ m«i tr­êng tÝnh to¸n trªn c¬ së d÷ liÖu. KÕt luËn: Trong hoµn c¶nh kinh tÕ cßn nhiÒu h¹n chÕ cña n­íc ta hiÖn nay, viÖc lùa chän gi¶i ph¸p m« pháng ®Ó nghiªn cøu tÝnh to¸n l­îng tö mang nhiÒu ý nghÜa: VÒ kinh tÕ: kh«ng ph¶i ®Çu t­ nhiÒu tiÒn cña nh­ng ta vÉn cã mét bé c«ng cô “gi¶ lËp m¸y tÝnh l­îng tö” cho phÐp nghiªn cøu m« pháng c¸c thuËt to¸n l­îng tö. ViÖc ¸p dông c¸c c«ng nghÖ hiÖn ®¹i lµm gi¶m rÊt nhiÒu thêi gian cho nhãm lËp tr×nh. VÒ mÆt khoa häc: sù ra ®êi cña VQS sÏ hç trî ®¾c lùc cho c¸c nhµ khoa häc trong viÖc nghiªn cøu, kiÓm ®Þnh c¸c thuËt to¸n l­îng tö vµ kh¸m ph¸ c¸c thuËt to¸n míi. TÝnh thùc tiÔn: víi nh÷ng chøc n¨ng ®· cã, VQS hoµn toµn cã thÓ ®ãng vai trß lµm c«ng cô ®¾c lùc cho mét trung t©m nghiªn cøu m« pháng tÝnh to¸n l­îng tö nh­ ë n­íc ta. §ång thêi VQS còng cã thÓ lµ mét bé c«ng cô h÷u Ých hç trî cho c¸c nhãm nghiªn cøu vÒ lÜnh vùc nµy. TÝnh chiÕn l­îc: viÖc h×nh thµnh mét trung t©m nghiªn cøu m« pháng tÝnh to¸n l­îng tö sÏ gióp chóng ta cã c¬ héi b¾t kÞp víi thÕ giíi trong lÜnh vùc míi nµy, gióp chóng ta chñ ®éng ®èi mÆt víi cuéc c¸ch m¹ng vÒ khoa häc tÝnh to¸n do m¸y tÝnh l­îng tö t¹o ra trong t­¬ng lai gÇn. Víi viÖc lùa chän 3 c«ng nghÖ hiÖn ®¹i trªn, bé c«ng cô VQS cã kh¶ n¨ng cung cÊp cho c¸c nhµ nghiªn cøu tÝnh to¸n l­îng tö nhiÒu tÝnh n¨ng h÷u Ých víi tèc ®é xö lý nhanh, kh¶ n¨ng kiÓm so¸t d÷ liÖu cì lín hiÖu qu¶ vµ an toµn, giao diÖn trùc quan th©n thiÖn dÔ dïng mµ so víi c¸c phÇn mÒm nh­ Mathemetica, Mathlab th× ®Æc ®iÓm nµy cña s¶n phÈm lµ næi bËt. Víi kiÕn tróc 3 tÇng, VQS cã tÝnh më vµ tÝnh ®éc lËp rÊt cao. ViÖc b¶o tr× vµ n©ng cÊp hÖ thèng cã thÓ tiÕn hµnh ë tõng tÇng mµ kh«ng ®ßi hái sù thay ®æi trong phÇn cßn l¹i cña hÖ thèng. §iÒu ®ã cho phÐp ta dÔ dµng chuyÓn ®æi thiÕt kÕ sang c¸c m«i tr­êng tÝnh to¸n m¹nh nh­: m«i tr­êng song song trªn Windows hoÆc Linux, Cluster Computing, Grid Computing,… §Ò tµi ®ßi hái c¸c t¸c gi¶ tæng hîp nhiÒu kiÕn thøc kÕt hîp c¶ to¸n häc vµ tin häc cïng víi sù nç lùc vÒ c«ng nghÖ: sè häc, gi¶i tÝch phøc, ®¹i sè, x¸c suÊt, ®é phøc t¹p thuËt to¸n, c¬ së d÷ liÖu, ph©n tÝch thiÕt kÕ hÖ thèng,… ®Ó hiÓu c¸c thuËt to¸n l­îng tö, tõ ®ã chuyÓn sang thiÕt kÕ ®­îc ch­¬ng tr×nh m« pháng tÝnh to¸n trªn SQL. Ch­¬ng 2. Ng«n ng÷ SQL vµ sù t­¬ng thÝch víi m« h×nh tÝnh to¸n l­îng tö Ng«n ng÷ SQL Nh­ ®· nªu s¬ bé ë phÇn trªn, lý do lùa chän SQL ®­îc thÓ hiÖn qua nh÷ng ®Æc ®iÓm quan träng cña SQL, vÒ tæng quan cã thÓ xem ch¼ng h¹n [11]. ë ®©y ta ®Ò cËp thªm nh÷ng lý do ®­îc mäi ng­êi quan t©m. a) SQL lµ ng«n ng÷ chuÈn mùc, ®· ®­îc ANSI vµ ISO thõa nhËn nh­ lµ mét ng«n ng÷ chuÈn vÒ xö lý d÷ liÖu, v× vËy d÷ liÖu cã thÓ ®­îc truy xuÊt theo nhiÒu ph­¬ng thøc kh¸c nhau, cho c¶ m¸y PC, c¸c m¸y tÝnh mini, vµ c¸c mainframe . Mét ­u ®iÓm kh¸c cña SQL lµ cã thÓ cung cÊp d÷ liÖu cho nh÷ng phÇn mÒm kh¸c kh«ng ph¶i lµ DBMS, nh­ c¸c hÖ xö lý v¨n b¶n vµ c¸c b¶ng tÝnh ®iÖn tö ... b) SQL thuéc lo¹i ng«n ng÷ thÕ hÖ thø 4, h­íng phi thñ tôc, ®· ®­îc nghiªn cøu nhiÒu n¨m qua, vµ ®ang nhanh chãng trë thµnh tiªu chuÈn trªn thÕ giíi vÒ xö lý d÷ liÖu theo m« h×nh quan hÖ . Ngµy nay, trong m«i tr­êng cña ng«n ng÷ thÕ hÖ 4, SQL ®· x©m nhËp vµo mäi CSDL (C¬ së d÷ liÖu) theo m« h×nh quan hÖ trªn thÞ tr­êng, thÝch øng víi hÇu hÕt c¸c lo¹i phÇn cøng vµ hÖ ®iÒu hµnh . c) SQL lµ ng«n ng÷ truy vÊn d÷ liÖu cã cÊu tróc, tu©n theo nh÷ng qui t¾c nhÊt ®Þnh. Cã 4 lo¹i lÖnh trong SQL: + Lo¹i thø nhÊt lµ nh÷ng Querry , dïng ®Ó truy vÊn d÷ liÖu . + Lo¹i thø hai lµ nh÷ng lÖnh ng«n ng÷ ®Þnh nghÜa d÷ liÖu ( DDL ) , cho phÐp khëi t¹o c¸c b¶ng d÷ liÖu qu¶n lý ®èi t­îng ch¼ng h¹n nh­ c¸c TABLE , c¸c VIEW . + Lo¹i thø ba lµ nh÷ng lÖnh ng«n ng÷ xö lý d÷ liÖu ( DML ), dïng ®Ó ®äc l¹i, xo¸ ®i hoÆc thªm vµo CSDL . + Nh÷ng lÖnh ng«n ng÷ kiÓm so¸t d÷ liÖu ( DLC ) dïng ®Ó "giao quyÒn" hoÆc " thu håi quyÒn" xÕp lo¹i d÷ liÖu . Ng­êi sö dông cã thÓ gâ vµo mét c¸ch trùc tiÕp nh÷ng lÖnh SQL, hoÆc lµ th«ng qua c¸c giao diÖn. LÖnh cña SQL kh«ng nhiÒu, gÇn gièng víi tiÕng Anh, do ®ã ng­êi sö dông cã thÓ truy xuÊt nhanh nh÷ng CSDL lín mµ kh«ng cÇn lËp tr×nh. SQL lµ ng«n ng÷ truy cËp vµ xö lý d÷ liÖu mµ ®èi t¸c cña nã lµ nh÷ng CSDL theo m« h×nh quan hÖ. Do vËy, nh÷ng tiÕp cËn tÝnh to¸n lín mµ cã thÓ øng dông ph­¬ng ph¸p biÓu diÔn theo ®¹i sè quan hÖ cã thÓ dùa vµo SQL ®Ó thùc hiÖn c¸c thao t¸c tÝnh to¸n c¬ b¶n. d) C¸c chøc n¨ng SQL Th«ng qua nh÷ng ®Æc ®iÓm cña SQL, vµ tuú theo m«i tr­êng, ng­êi sö dông cã thÓ th­êng xuyªn thùc hiÖn c¸c yªu cÇu vÒ d÷ liÖu nh­ : + §Þnh nghÜa d÷ liÖu. + Truy vÊn, gäi xem, b¶o tr× d÷ liÖu. + TÝnh to¸n cËp nhËt d÷ liÖu. + KiÓm so¸t viÖc truy xuÊt d÷ liÖu. + B¶o ®¶m sù an toµn, ph©n chia quyÒn sö dông d÷ liÖu. + B¶o vÖ sù toµn vÑn d÷ liÖu .. . Sù t­¬ng thÝch chÆt chÏ gi÷a SQL vµ tÝnh to¸n l­îng tö + SQL ®èi xö víi c¸c b¶n ghi mét c¸ch b×nh ®¼ng. NÕu coi mçi truy vÊn SQL lµ mét ®¬n vÞ tÝnh ®é phøc t¹p th× víi mçi truy vÊn ta cã thÓ t¸c ®éng lªn tÊt c¶ c¸c b¶n ghi. Do vËy, nÕu sö dông mét b¶n ghi cña b¶ng ®Ó l­u mét c¬ së th× ta cã thÓ t¸c ®éng ®ång thêi vµo toµn bé superposition, kh«ng ph©n biÖt gi÷a c¸c c¬ së. Nh­ vËy gi÷a truy vÊn CSDL vµ nh÷ng phÐp biÕn ®æi l­îng tö cã sù gièng nhau vÒ mÆt b¶n chÊt lµ t¸c ®éng ®ång thêi lªn tÊt c¶ c¸c ®èi t­îng. + PhÐp JOIN cho phÐp kÕt nèi hai b¶ng, lµm t¨ng sè cét. Ta cã thÓ sö dông truy vÊn nµy ®Ó m« pháng phÐp lÊy tÝch tens¬ cña hai thanh ghi - mét thao t¸c kh«ng thÓ thiÕu trong c¸c thuËt to¸n l­îng tö. + Sö dông truy vÊn cã kÕt hîp GROUP BY ta cã thÓ ph©n líp c¸c b¶n ghi. §iÒu nµy t¹o ra hai ­u ®iÓm sau ®©y khi m« pháng tÝnh to¸n l­îng tö: Thø nhÊt, c¸c phÐp biÕn ®æi l­îng tö nhiÒu khi t¸c ®éng lµm cho mét vect¬r c¬ së bÞ biÕn ®æi, sinh ra mét sè vect¬ c¬ së kh¸c. Ch¼ng h¹n phÐp Hadamard : VËy VËy Thø hai, nhê sö dông GROUP BY, sau khi t¸c ®éng lªn hÖ thèng ta cã thÓ gép c¸c c¬ së gièng nhau. Ch¼ng h¹n: q1 Im Re 0 1 q1 Im Re 0 1 0 1 - q1 Im Re 0 1 M« pháng tÝnh to¸n l­îng tö bëi SQL TÝnh chÊt (vÒ mèi quan hÖ gi÷a m« h×nh c¬ së d÷ liÖu víi m« h×nh siªu tr¹ng th¸i l­îng tö): M« h×nh c¬ së d÷ liÖu quan hÖ cã thÓ m« pháng tr¹ng th¸i cña mét thanh ghi l­îng tö bÊt k×. Chøng minh: Siªu tr¹ng th¸i cña thanh ghi gåm n qubit cã d¹ng tæng qu¸t nh­ sau: Ta sÏ m« pháng tr¹ng th¸i trªn b»ng b¶ng quan hÖ Superposition sau ®©y: q1 q2 … qn Im Re 0 0 … 0 … … … ... … … 1 1 … 1 Trong ®ã : Nh­ vËy, ta cã t­¬ng øng : Siªu tr¹ng th¸i B¶ng quan hÖ tr¹ng th¸i. C¸c phÐp biÕn ®æi trªn siªu tr¹ng th¸i trë thµnh c¸c phÐp biÕn ®æi trªn quan hÖ mµ ta cã thÓ sö dông c¸c c©u lÖnh SqL (xem phÇn sau). NhËn xÐt: + NÕu siªu tr¹ng th¸i cã d¹ng: (trong ®ã ) th× mçi vÐc t¬ c¬ së d­îc biÓu diÔn nhÞ ph©n b»ng mét hµng gåm n cét ®Çu cña b¶ng. PhÇn thùc, ¶o cña to¹ ®é t­¬ng øng víi ®­îc biÓu diÔn b»ng cét Im, Re t­¬ng øng. + Kh«ng thÓ hiÖn nh÷ng vect¬ c¬ së mµ =0. §iÒu nµy gióp cho viÖc tÝnh to¸n, l­u tr÷ ®­îc thuËn lîi vµ kh«ng d­ thõa. Sau ®©y lµ ®Þnh lý c¬ b¶n ®ãng vai trß c¬ së cho viÖc x©y dùng c¸c øng dông m« pháng tÝnh to¸n l­îng tö b»ng SQL. §Þnh lý c¬ b¶n vÒ tÝnh ®óng ®¾n cña phÐp m« pháng §Þnh lý: Sö dông truy vÊn SQL trªn c¬ së d÷ liÖu quan hÖ cã thÓ biÓu diÔn mäi tÝnh to¸n l­îng tö c¬ b¶n (bao gåm c¸c biÕn ®æi Unita vµ phÐp ®o). Chøng minh. Tr­íc hÕt ta cã nhËn xÐt: cã hai lo¹i phÐp biÕn ®æi c¬ b¶n ®­îc thùc hiÖn trong tÝnh to¸n l­îng tö, ®ã lµ phÐp biÕn ®æi Unita vµ phÐp biÕn ®æi kh«ng Unita, trong ®ã líp phÐp biÕn ®æi kh«ng Unita chØ cã phÐp ®o. H¬n n÷a trong líp c¸c phÐp biÕn ®æi Unita, G= lµ tËp cæng phæ dông (trong ®ã ®­îc x¸c ®Þnh ë d­íi, xem thªm [4,5,6,8]). Nh­ vËy ta sÏ chøng minh: sö dông ng«n ng÷ SQL trªn c¬ së d÷ liÖu quan hÖ cã thÓ m« pháng ®­îc hai cæng vµ phÐp ®o. i) Cæng U control1 control2 target Trong ®ã: T¸c ®éng cu¶ : Gi¶ sö mét siªu tr¹ng th¸i ®· ®­îc cho d­íi d¹ng b¶ng quan hÖ Superposition: q1 q2 q3 Im Re 0 0 0 ... ... ... ... ... 1 1 0 1 1 1 q1 q2 q3 Im Re 0 0 0 ... ... ... ... ... 1 1 0 1 1 1 Thùc hiÖn b»ng truy vÊn SQL: Select * into Tam from Superposition Update Superposition set q@target=1- q@target where q@control1=1, q@control2=1 Update Superposition set Im=Im.,Re=Re. where q@control1=1, q@control2=1 Update Tam set Re=-Re., Im=-Im. where q@control1=1,q@control2=1,q@target=1 Update Tam set Re=Re., Im=Im. where q@control1=1,q@control2=1,q@target=0 Insert into Tam select * from Superposition Drop table Superposition Select q1,q2,...,qn, sum(Re) as Re, sum(Im) as Im into Superposition from Tam group by q1,q2,...,qn Drop table Tam ii) Cæng W control1 cotrol2 target Trong ®ã: T¸c ®éng cu¶ : NhËn xÐt: ChØ nh÷ng c¬ së mµ q@control1 = q@control2 = q@target = 1 míi bÞ nh©n thªm D­íi d¹ng b¶ng : q1 q2 q3 Im Re 0 0 0 ... ... ... ... ... 1 1 0 1 1 1 q1 q2 q3 Im Re 0 0 0 ... ... ... ... ... 1 1 0 1 1 1 Thùc hiÖn b»ng truy vÊn SQL: Alter table Superposition add tam Update Superposition set tam=Im Update Superposition set Im= Re= where q@control1=1,q@control2=1,q@target=1 Alter table Superposition drop tam Nh­ vËy, ta ®· thùc hiÖn ®­îc c¸c cæng . TËp lµ trï mËt trong nhãm c¸c ma trËn unita 8x8. lµ tËp trï mËt trong nhãm c¸c ma trËn unita . §Ó t¹o ra tõ ta dïng ph­¬ng ph¸p qui n¹p: sö dông thªm phÐp And cña 2 bit ®Çu tiªn b»ng TOFFOLI( CCNOT), ghi kÕt qu¶ lªn bit phô. Sau ®ã ¸p dông ta sÏ thu ®­îc . iii) PhÐp And a a b b c cab D¹ng b¶ng: a b c Im Re 0 0 0 ... ... ... ... ... 1 1 0 1 1 1 a b c Im Re 0 0 0 ... ... ... ... ... 1 1 1 1 1 0 NhËn xÐt: Bit c bÞ lËt tr¹ng th¸i khi vµ chØ khi a = b = 1. Thùc hiÖn b»ng truy vÊn SQL: Update Superposition set q@target=1-q@target where q@control1=1,qa@control2=1 . NhËn xÐt r»ng, ®Ó thùc hiÖn tÝnh to¸n, nhiÒu khi ph¶i sö dông 2 thanh ghi cã t­¬ng t¸c (correlation) víi nhau. Do vËy cÇn ph¶i m« pháng phÐp lÊy tÝch tensor 2 thanh ghi. iv) M« pháng phÐp lÊy tÝch tens¬ hai thanh ghi XÐt phÐp lÊy tÝch tens¬ hai thanh ghi cã tr¹ng th¸i sau ®©y: Reg1: . HÖ thèng gåm n qubit. Reg2: . HÖ thèng gåm m qubit. Sau khi lÊy tÝch tensor ph¶i thu ®­îc: Reg1ÄReg2= =+... + D­íi d¹ng b¶ng, Reg1 lµ q11 q12 … q1n Im1 Re1 0 0 … 0 … … … ... … … 1 1 … 1 Reg2 lµ q21 q22 … q2m Im2 Re2 0 0 … 0 … … … ... … … 1 1 … 1 Reg1Ä Reg2 lµ q11 … q1n q21 ... q2m Im Re 0 … 0 0 ... 0 … … ... ... ... … … 1 … 1 1 ... 1 Thùc hiÖn b»ng truy vÊn SQL: Select * into Tensor from Reg1cross join Reg2 Alter table Tensor add Im,Re Update Tensor set Im=Im1.Re2+Im2.Re1 Re=Im1.Im2-Re1.Re2 Alter table Tensor drop Im1,Im2,Re1,Re2. §Õn ®©y ta ®· chøng minh ®­îc mäi phÐp biÕn ®æi Unita trong tÝnh to¸n l­îng tö ®Òu cã thÓ m« pháng ®óng ®¾n bëi ng«n ng÷ SQL trªn c¬ së d÷ liÖu. §Ó hoµn thiÖn chøng minh, ta cÇn chøng minh sù ®óng ®¾n víi phÐp ®o. v) PhÐp ®o PhÐp ®o lµ phÐp t¸c ®éng lªn mét tËp c¸c qubit cña mét thanh ghi l­îng tö. NÕu gäi i1,i2,...,ik lµ tËp c¸c chØ sè cña c¸c qubit trong mét thanh ghi n qubit cÇn ®o, khi ®ã phÐp ®o sÏ thùc hiÖn phÐp chiÕu tr¹ng th¸i cña thanh ghi lªn mét kh«ng gian con bÊt k× trong 2k kh«ng gian con ®­îc sinh bëi sù tæ hîp cña k qubit trªn, trong ®ã øng víi mçi kh«ng gian con, x¸c suÊt ®Ó tr¹ng th¸i thanh ghi r¬i vµo phô thuéc vµo biªn ®é cña c¸c tr¹ng th¸i trong thanh ghi ban ®Çu. ThuËt to¸n thùc hiÖn phÐp ®o nh­ sau: b1: t¹o b¶ng CollectingTable gåm cã (k+1) cét, víi tªn cét lÇn l­ît lµ: b2: ®iÒn toµn bé 2k c¬ së vµo b¶ng CollectingTable b3: gi¸ trÞ cña tr­êng Prob sÏ ®­îc tÝnh b»ng tæng x¸c suÊt cña c¸c c¬ së trong b¶ng Superposition mµ cã gÝa trÞ cña c¸c qubit øng víi b»ng gi¸ trÞ t­¬ng øng trong b¶ng CollectingTable (b¶ng Superposition biÓu diÔn tr¹ng th¸i cña thanh ghi hiÖn hµnh). b4: ®o toµn bé thanh ghi CollectingTable. Tr¹ng th¸i míi sau khi ®o sôp ®æ theo qui luËt cña hµm sãng sÏ ®­îc l­u tr÷ trong b¶ng tblMaxRow. b5: ®èi chiÕu c¬ së duy nhÊt trong tblMaxRow víi thanh ghi Superposition ®Ó läc ra nh÷ng c¬ së cã c¸c gi¸ trÞ cña c¸c qubit trïng nhau trong 2 b¶ng. ThuËt to¸n ®­îc thÓ hiÖn d­íi d¹ng truy vÊn nh­ sau: Tr­íc hÕt t¹o thñ tôc CreateCollectingTable ®Ó hiÖn b­íc 1: Create Table CollectingTable ( prob float ) j = 1 While (j <= k) Begin Alter Table CollectingTable Add int j := j + 1 End TiÕp theo ta thùc hiÖn ®iÒn 2k c¬ së vµo b¶ng CollectingTable b»ng thñ tôc InsertBases: Set n = 0 While(n < power(2,k)) Begin exec BiGenerate n,k,valuestr output IinsertIinto CollectingTable Values valuestr n: = n + 1 End (Thñ tôc BiGenerate sÏ sinh ra sè nhÞ ph©n k ch÷ sè tõ sè n ®ång thêi biÕn sè nhÞ ph©n ®ã thµnh d¹ng x©u chuÈn ®Ó ®­a vµo c©u lÖnh Insert.) §Ó thùc hiÖn b­íc 3 ®iÒn gi¸ trÞ vµo tr­êng Prob, ta thùc hiÖn thñ tôc InsertCollectingTable: Alter table superposition Add prob As square(re) + square(im) Update collectingtable Set Prob = (Select sum(s.Prob) From Superposition s Where and ... and ) Sau khi t¹o ®­îc b¶ng Collectingtable, ta dïng thñ tôc CreateTblMaxRow thùc hiÖn b­íc 4: Select maxprob = max(Prob) From collectingtable Select * Into tblmaxrow From collectingtable Where Prob = maxprob Thñ tôc EditMaxrow ®­îc dïng ®Ó kiÓm tra b¶ng tblmaxrow trong tr­êng hîp b¶ng cã nhiÒu h¬n mét hµng, x¶y ra khi siªu tr¹ng th¸i cña ta cã nhiÒu c¬ së cïng ®¹t x¸c suÊt cao nhÊt, ta sÏ gi÷ l¹i ngÉu nhiªn mét c¬ së bÊt k×. Select n = count(Prob) From tblmaxrow if( n > 1) Begin Alter Ttable tblmaxrow Ad® ind As Declare curInd Scroll Cursor For Select ind From tblmaxrow Open curInd Select row = count(Prob) From tblmaxrow exec RandId = random row F etch Absolute RandId From curInd Into i Delete From tblmaxrow Where ind i End (Hµm random(n) sÏ sinh mét sè nguyªn ngÉu nhiªn n»m trong kho¶ng [1,n]) Cuèi cïng ta thùc hiÖn thñ tôc Measure ®Ó thùc hiÖn b­íc 5: Delete From superposition s From tblmaxrow t Where ( or or ... or ) PhÐp chøng minh ®Þnh lý ®­îc hoµn thµnh. ð M« pháng mét sè cæng l­îng tö phæ dông Sau ®©y lµ mét sè vÝ dô ¸p dông SQL cho c¸c cæng l­îng tö c¬ b¶n kh¸c i) Cæng HADAMARD D¹ng m¹ch H D¹ng ma trËn: Thùc hiÖn: XÐt superposition tæng qu¸t: Cæng HADAMARD t¸c ®éng trªn qubit thø k cña hÖ thèng n qubit g©y nªn sù biÕn ®æi nh­ sau: Víi mäi bé trong ®ã . Thùc hiÖn b»ng SQL: Select * into Tam from Superposition Update Superposition set q@target=1- q@target Update Superposition set Im=Im,Re=Re Update Tam set Re=-Re , Im=-Im where q@target=1 Update Tam set Re=Re/ , Im=Im where q@target=0 Insert into Tam select * from Superposition Drop tabl e Superposition Select q1,q2,...,qn, sum(Re) as Re, sum(Im) as Im into Superposition from Tam group by q1,q2,...,qn Drop table Tam ii) Cæng NOT not D¹ng ma trËn: Ho¹t ®éng: XÐt superposition tæng qu¸t: Thùc hiÖn cæng NOT trªn qubit thø k ta thu ®­îc: M« pháng b»ng SQL: Update @table set qk=1-qk iii) Cæng CNOT D¹ng ma trËn: Ho¹t ®éng: XÐt superposition tæng qu¸t: Thùc hiÖn cæng NOT víi qubit thø t lµ bit control, qubit thø k lµ bit target ta thu ®­îc: nÕu =1 nÕu =0 M« pháng b»ng SQL: Update @table set qk=1-qk where qt=1 NhËn xÐt: Vai trß cña ®Þnh lý c¬ b¶n cã ý nghÜa thùc tiÔn lín v× c¸c cæng phæ dông c¬ b¶n ®­îc biÓu diÔn sang c©u lÖnh SQL ®­a vµo d­íi d¹ng biªn dÞch s½n (Stored Procedure) gióp t¨ng tèc qu¸ tr×nh tÝnh to¸n m« pháng trªn m«i tr­êng d÷ liÖu lín h­íng m¹ng, song song, ph©n t¸n. Ch­¬ng 3. Ng«n ng÷ QuML vµ kiÕn tróc hÖ thèng Visual Quantum Studio (VQS) PhÇn nµy dµnh cho viÖc tr×nh bµy vÒ kiÕn tróc 3 tÇng cña s¶n phÈm, trong ®ã sÏ tËp trung vµo ng«n ng÷ m« t¶ m¹ch l­îng tö dùa trªn chuÈn XML do chóng t«i thiÕt kÕ, ®­îc ®Æt tªn lµ QuML. KiÕn tróc hÖ thèng Visual Quantum Studio HÖ thèng VQS ®­îc chia thµnh 2 hÖ thèng con vµ gåm 3 tÇng: + HÖ thèng giao diÖn ®å ho¹ th©n thiÖn hç trî tèi ®a viÖc thiÕt kÕ m¹ch l­îng tö + HÖ thèng m¸y ¶o thùc thi c¸c c©u lÖnh l­îng tö c¬ b¶n: m¸y ¶o côc bé vµ m¸y ¶o trªn SQL Server, ... Hai hÖ thèng nµy trao ®æi th«ng tin vÒ m¹ch l­îng tö th«ng qua mét ng«n ng÷ cã cÊu tróc lµ QuML. KiÕn tróc nµy sÏ t¹o ra sù thuËn lîi trong viÖc ph¸t triÓn ®éc lËp c¸c thµnh phÇn trong hÖ thèng. ViÖc tèi ­u ho¸ tõng thµnh phÇn cã thÓ thùc hiÖn ®éc lËp mµ kh«ng liªn quan tíi c¸c thµnh phÇn kh¸c. Víi c¸c giao diÖn ®­îc chuÈn ho¸ gi÷a c¸c thµnh phÇn trong hÖ thèng gióp cho viÖc b¶o tr×, ph¸t triÓn ®­îc dÔ dµng. HÖ thèng giao diÖn ®å häa Nh÷ng ®èi t­îng c¬ b¶n cña giao diÖn ®å häa trong hÖ thèng VQS S¬ ®å qu¶n lý c¸c ®èi t­îng ®å häa: QuCircuit (m¹ch) QuRegister (thanh ghi) QuBit (bit) Operator Observer QuGate Implement Oracle Qubit Thuéc tÝnh : - Name - Text - Alpha - Beta - Status observer Ph­¬ng thøc : - §æi tªn, ®æi text - ThiÕt lËp gi¸ trÞ Alpha, Beta. - Chän, xo¸ QuRegister Thuéc tÝnh : - Name - Text - Danh s¸ch QuBit - Circuit chøa nã - Inside / Outside Ph­¬ng thøc : - §æi tªn, ®æi text - §æi kiÓu Inside Outside - Xo¸, thªm bit Operator Thuéc tÝnh : - Name - Text - Danh s¸ch QuBit - Linkbits - State Ph­¬ng thøc: - §æi tªn, ®æi text. - §æi kiÓu néi dung Linkbit. - Xo¸, söa. Ng«n ng÷ m« t¶ m¹ch l­îng tö QuML (Quantum Marked up Language) Giíi thiÖu vÒ XML XML lµ mét ®Ò xuÊt cña tæ chøc World Wide Web Consortium (W3C), mét nhãm ®a c«ng ty ®· ®Þnh nghÜa XHTML vµ tiÒn th©n cña ng«n ng÷ nµy lµ HTML. XML lµ mét ph­¬ng tiÖn mang c¸c d÷ liÖu kh¶ dông tíi m¸y tÝnh c¸ nh©n vµ lµ mét ®Þnh d¹ng d÷ liÖu tæng qu¸t – nã cung cÊp nh÷ng thÎ ®¸nh dÊu cÇn thiÕt. V× m· nguån cña c¸c ng«n ng÷ ®­îc ®Þnh d¹ng trong XML gièng nh­ HTML, nªn so s¸nh hai ng«n ng÷ nµy lµ rÊt h÷u Ých. XML bao gåm c¸c tr­êng ®­îc lång nhau theo kiÓu ph¶ hÖ gièng nh­ HTML, nã còng rÊt dÔ ®äc, vµ dÔ chuyÓn ®æi. Tuy nhiªn, nÕu HTML chøa c¸c tiªu ®Ò, ®Çu ®Ò, vµ c¸c ®Þnh d¹ng hiÓn thÞ kÝ tù, ... th× XML cã thÓ chøa kh¸ch hµng, sè ho¸ ®¬n, gi¸ c¶, hay bÊt k× mét yÕu tè th«ng tin nµo mµ ta cÇn. XML lµ hoµn toµn më do ®ã ta cã thÓ bæ sung nh÷ng thÎ míi vµ nh÷ng yÕu tè míi ®Ó hç trî cho øng dông… (xem thªm [15]). H¹t nh©n cña XML Th«ng tin cã cÊu tróc bao gåm c¶ néi dung (tõ ng÷, h×nh ¶nh, ...) vµ mét gîi ý vÒ chøc n¨ng cña néi dung ®ã. VÝ dô, néi dung trong mét phÇn tiªu ®Ò cã mét ý nghÜa kh¸c víi néi dung trong mét chó thÝch, vµ còng kh¸c víi néi dung trong mét ghi chó h×nh vÏ hay mét b¶ng trong c¬ së d÷ liÖu. §Æc t¶ XML ®Þnh nghÜa mét ph­¬ng thøc chuÈn ®Ó cÊu tróc c¸c phÇn ®¸nh dÊu cña c¸c tµi liÖu. Lý do sö dông XML C¸c lËp tr×nh viªn t¹o ra XML ®Ó nh÷ng tµi liÖu cã cÊu tróc chÆt chÏ cã thÓ ®­îc sö dông trªn Web. Nh÷ng ng«n ng÷ cã thÓ lµm ®­îc ®iÒu nµy, HTML vµ SGML (Standard Generalized Markup Language), l¹i kh«ng thùc tÕ cho môc ®Ých nµy. HTML th× bÞ giíi h¹n bëi mét tËp c¸c ng÷ nghÜa vµ kh«ng cung cÊp mét cÊu tróc bÊt k×. SGML th× cung cÊp mét cÊu tróc bÊt k×, nh­ng viÖc cµi ®Æt SGML l¹i qu¸ khã ®èi víi mét tr×nh duyÖt Web. XML kh«ng ®Þnh nghÜa c¸c ng÷ nghÜa còng nh­ kh«ng ®Þnh nghÜa mét tËp c¸c thÎ. Nã lµ mét siªu ng«n ng÷ (metalanguage) ®Ó m« t¶ c¸c ng«n ng÷ ®¸nh dÊu vµ cung cÊp mét c¬ së cho viÖc ®Þnh nghÜa c¸c thÎ vµ quan hÖ cÊu tróc gi÷a chóng. V× vËy kh«ng cã mét tËp c¸c thÎ ®Þnh nghÜa s½n, còng kh«ng cã mét ng÷ nghÜa tiÒn ®Þnh nµo trong XML. Ng÷ nghÜa cña mét tµi liÖu XML sÏ ®­îc ®Þnh nghÜa hoÆc bëi c¸c ch­¬ng tr×nh xö lÝ chóng hoÆc bëi c¸c kiÓu d¹ng mÉu (style sheet). Do vËy chóng t«i lùa chän XML lµm ng«n ng÷ ®Ó x©y dùng nªn QuML. Nh÷ng yªu cÇu ®èi víi ng«n ng÷ QuML. + Ng«n ng÷ nµy ph¶i m« t¶ ®­îc cÊu tróc cña c¸c m¹ch tuÇn tù nhiÒu qubit. + M« t¶ c¸c cæng phøc hîp vµ m« t¶ ®­îc sù l¾p c¸c cæng ®ã vµo m¹ch nhiÒu qubit. + Cã kh¶ n¨ng m« t¶ viÖc bæ sung thªm c¸c qubit vµo m¹ch. + M« t¶ c¸c phÐp ®o. + M« t¶ c¸c qubit theo tËp hîp c¸c thanh ghi. + M« t¶ giao diÖn riªng cña tõng lo¹i cæng phøc hîp. + Cã kh¶ n¨ng cho phÐp khai b¸o nh÷ng kiÓu cæng phøc hîp míi dùa trªn c¸c cæng cã s½n (built in) vµ c¸c cæng phøc hîp tù t¹o kh¸c. + TÊt c¶ c¸c tµi liÖu ®Òu b¾t ®Çu b»ng thÎ Nh÷ng ®èi t­îng cÇn m« t¶ cña ng«n ng÷ QuCircuit, QuRegister, QuBit, QuGate, QuObserver, ... Các khai báo cho các đối tượng này a. QuSpace Kh«ng gian tªn l­îng tö, trong kh«ng gian tªn l­îng tö ta cã thÓ ®Þnh nghÜa c¸c cæng hoÆc c¸c kh«ng gian tªn l­îng tö cÊp thÊp cña nã. CÊu tróc cña c¸c kh«ng gian tªn: NameSpace1.NameSpace2.... Khai b¸o kh«ng gian tªn l­îng tö cã thÓ lµ khai b¸o tuyÖt ®èi hoÆc khai b¸o tuÇn tù. VD: b. QuCircuit T¹o ra mét m¹ch l­îng tö ®Ó tÝnh to¸n LÖnh: MÆc ®Þnh lµ c¸c qubit trong mét m¹ch l­îng tö lµ Outside. Nh­ng vÉn cho phÐp lµ cã c¸c gi¸ trÞ khëi ®Çu. Trong phÇn giao diÖn th× c¸c thanh ghi Outside sÏ ®­îc ®Æt ë thø tù ®øng tr­íc. Sau ®ã lµ tíi c¸c thanh ghi Inside. Kh«ng nªn ®Æt xen kÏ. Cã thÓ lµ thanh ghi Outside ®Ó sau nh­ng khi biªn dÞch th× tr×nh dÞch sÏ tù ®éng chuyÓn chóng lªn ®Çu. TÊt nhiªn lµ kh«ng ¶nh h­ëng g× v× ta tham chiÕu côc bé th«ng qua tªn vµ ID cña qubit. c. GateType T¹o mét cæng phøc, lµ tæ hîp cña c¸c cæng kh¸c, cã thÓ lµ cæng c¬ b¶n hoÆc c¸c cæng phøc kh¸c. d. QuRegister T¹o ra mét thanh ghi l­îng tö ®Ó ®­a vµo hÖ thèng LÖnh: C¸c lÖnh t¹o thanh ghi chØ ®­îc phÐp xuÊt hiÖn trong phÇn giao diÖn (®Ó ®¬n gi¶n cho viÖc xö lÝ). e. QuBit T¹o ra mét qubit ®Ó ®­a vµo hÖ thèng trong bèi c¶nh mét thanh ghi, tøc lµ nh÷ng lÖnh nµy chØ ®­îc chÊp nhËn khi nã n»m trong mét cÊu tróc thanh ghi. LÖnh: Tªn cña QuBit ph¶i viÕt liÒn. f. QuGate T¹o ra mét cæng theo kiÓu ®· ®­îc ®Þnh danh LÖnh tæng qu¸t ®Ó t¹o mét cæng phøc danh s¸ch c¸c bit côc bé cña thanh ghi ®ã Tªn thanh ghi trong LinkedBits lµ tªn thanh ghi trong bèi c¶nh côc bé cña hÖ thèng hoÆc component. Sù nèi nµy theo thø tù nµo? Theo thø tù ®­îc khai b¸o trong phÇn interface. Bit nµo ®­îc khai b¸o tr­íc th× cã thø tù côc bé ë tr­íc. Khi kÕt nèi th× SystemID cña mapped bit sÏ ®­îc chuyÓn vµo c¸c lÖnh thùc hiÖn. g. Observer T¹o ra mét quan s¸t mét qubit hoÆc nhiÒu qubit trong hÖ thèng. LÖnh ®Ó t¹o mét phÐp ®o: danh s¸ch c¸c bit côc bé cña thanh ghi ®ã Tªn cña mçi phÐp ®o yªu cÇu ph¶i lµ duy nhÊt trong bèi c¶nh côc bé. M« t¶ cÊu tróc mét c©u lÖnh khai b¸o kiÓu cæng phøc hîp víi c¸c kiÓu cæng c¬ b¶n ®­îc chÊp nhËn lµ: NOT, CNOT, HADAMAR, TOFFOLI, CPSHIFT (controlled phase shift),… dùa trªn kÕt qu¶ nghiªn cøu tËp cæng phæ dông vµ c¸c cæng hay sö dông trong c¸c thuËt to¸n l­îng tö. C¸c th«ng sè cho nh÷ng cæng c¬ b¶n: ®­îc khai b¸o kÌm víi thÎ QuGate nh­ mét thuéc tÝnh cña thÎ. VÝ dô: Cæng CPSHIFT cÇn thªm th«ng sè vÒ gãc quay Phase Nh÷ng vÝ dô m¹ch c¬ b¶n. VÝ dô 1: M¹ch kh«ng cã c¸c component phøc, kh«ng cã QuReg côc bé M¹ch céng hai sè hai bit: AB + CD = EFG : CNOT : TOFFOLI A B C D 0 0 0 A B C D E F G 1, 3 1 1, 3 3 2 1, 3 0, 2 0 0, 2 2 1, 0 2 1 0, 2 0, 1, 2, 3 0, 1, 2 VÝ dô 2: M¹ch cã sö dông oracle x x y yf(x) f M¹ch cã sö dông oracle ®ãng vai trß quan träng trong c¸c thuËt to¸n l­îng tö, nã lµm cho c¸c thuËt to¸n l­îng tö trë lªn uyÓn truyÓn h¬n rÊt nhiÒu. §Ó x©y dùng c¸c cæng oracle thuËn tiÖn cho ng­êi dïng, ch­¬ng tr×nh cã sö dông bé ph©n tÝch biÓu thøc sè häc ®­îc biÓu diÔn d­íi d¹ng cÊu tróc d÷ liÖu c©y nhÞ ph©n. VÝ dô m¹ch m« t¶ thuËt to¸n Deutch-Joza: 0 1 0, 1 0 1 0 0, 1 Các bước phân tích mạch: §Çu tiªn x©y dùng cÊu tróc c¸c kh«ng gian tªn vµ c¸c ®Þnh nghÜa cæng t­¬ng øng. Víi c¸c file .quml, ta cung cÊp c¸c thÎ . Sau ®ã khi biªn dÞch ta sÏ chuyÓn c¸c thÎ côc bé ®ã sang c¸c tªn cña kh«ng gian tªn tuyÖt ®èi cña nã. Khi ®Æt c¸c ®èi t­îng ®å ho¹ trùc quan vµo hÖ thèng th× ta sö dông kh«ng gian tªn tuyÖt ®èi ®Ó m« t¶ nã. Trong c¸c file .quml chØ cho phÐp mét thÎ mµ th«i vµ ®ã ®iÓm khëi ®Çu cña m¹ch. Trong c¸c file chøa component ta cã thÓ cho resource lµ ¶nh bitmap. Ngoµi ra viÖc dông thªm c¸c thÎ bæ trî gióp thuËn tiÖn cho øng dông. Nh­ cÊu tróc cña file project nh»m l­u tr÷ th«ng tin vÒ mét project. //Sau nµy cã thÓ cho phÐp include c¶ nh÷ng file resource Xö lÝ c¸c file .quproj: + Ph©n tÝch c¸c th«ng tin ®Ó liªn kÕt c¸c file ref vµ c¸c file m¹ch nguån. + X©y dùng cÊu tróc kh«ng gian tªn trong bé nhí kÌm theo c¸c ®èi t­îng cæng (lµ c¸c l¸ trong c©y ®ã). Mçi l¸ nªn cã kiÓu cña nã. Trong mçi l¸ lµ mét ®èi t­îng cæng sÏ chøa th«ng tin vÒ giao diÖn bªn ngoµi cña ®èi t­îng ®ã, nh÷ng thuéc tÝnh bªn ngoµi cña nã, nh»m t¹o thuËn lîi cho viÖc t¹o giao diÖn. + Nh÷ng kiÕn tróc bªn trong chØ cho phÐp thÓ hiÖn khi m« pháng (debug khi m« pháng). CÊu tróc cña file .qugate nªn chøa c¸c th«ng tin thuËn lîi cho qu¸ tr×nh biªn dÞch sao cho tËn dông ®­îc tÝnh chÊt lµ ®· biªn dÞch mét lÇn råi. Ch¼ng h¹n c¸c th«ng tin vÒ kh«ng gian tªn ch¼ng h¹n. CÊu tróc cña file qugate a. PhÇn th«ng tin thu ®­îc sau qu¸ tr×nh biªn dÞch. Th«ng tin vÒ c¸c file tham chiÕu: ®Æt trong thÎ Khi biªn dÞch, hoÆc ngay khi bæ sung(add) mét referrence vµo project th× hÖ thèng sÏ ph¶i t×m tíi c¸c file nµy tr­íc. T×m trong local hoÆc t×m trong HintPath. Chøa trong thÎ: Gåm c¸c th«ng tin vÒ c¸c lo¹i cæng ®­îc phÐp hiÓn thÞ trong toolbox (nh÷ng cæng d¹ng public) ®i kÌm lµ kh«ng gian tªn cña nã. Giao diÖn Outside cña nã. (PhÇn nµy b¾t buéc ph¶i cã, nÕu kh«ng cã th× ph¶i b¸o lçi) b. Néi dung ®· biªn dÞch. C¸c th«ng tin ®Çy ®ñ vÒ mét cæng. Giao diÖn trong, ngoµi; KiÕn tróc... Chøa c¸c thÎ ®Çy ®ñ, KiÓu ph¶i lµ kiÓu cã tham chiÕu kh«ng gian tªn tuyÖt ®èi (chø kh«ng ph¶i lµ kh«ng gian tªn t­¬ng ®èi). Khi ta import mét file .qugate vµo hÖ thèng toolbox, nã sÏ cho phÐp ta tham chiÕu ®­îc tÊt c¶ c¸c lo¹i cæng khai b¸o trong file ®ã. TÊt nhiªn lµ nÕu ta check vµo ®ã. Cßn nÕu kh«ng th× ta lo¹i bá. C¸c th«ng tin ®ã cÇn ®­îc l­u tr÷ trong mét file cÊu h×nh cña ch­¬ng tr×nh. Ch¼ng h¹n lµ file Toolbox.config.xml --> Ph¶i cã hép tho¹i cho phÐp cÊu h×nh Toolbox. Nhận xÐt: Nh÷ng tÝnh n¨ng vÒ kh«ng gian tªn l­îng tö, project m¹ch l­îng tö lµ nh÷ng tÝnh n¨ng cã tÝnh më rÊt cao cña hÖ thèng. Nã cho phÐp m« t¶ nh÷ng hÖ thèng lín, phøc t¹p vµ uyÓn chuyÓn. M¸y ¶o thùc hÞªn tÝnh to¸n l­îng tö bëi SQL Server §­îc x©y dùng trªn Stored Procedure, m¸y ¶o nµy cung cÊp tÊt c¶ c¸c thñ tôc cho phÐp hÖ thèng dïng ®Ó thùc hiªn c¸c cæng l­îng tö c¬ b¶n vµ phÐo ®o. Nhê sö dông m«i tr­êng c¬ së d÷ liÖu vµ nh÷ng ®iÓm m¹nh cña SQL Server nªn c¸c Stored Procedure thùc hiÖn c¸c tÝnh to¸n víi tèc ®é rÊt nhanh vµ cã kh¶ n¨ng thùc hiÖn víi d÷ liÖu lín. Nhê sö dông ph­¬ng ph¸p nµy, chóng t«i ®· gi¶i quyÕt ®­îc vÊn ®Ò rÊt c¬ b¶n trong lËp tr×nh lµ kiÓm so¸t d÷ liÖu lín víi ®é an toµn cao. KÕt luËn chung + Víi nh÷ng môc tiªu ®· ®Æt ra, VQS thùc sù trë thµnh mét bé c«ng cô h÷u Ých phôc vô cho viÖc nghiªn cøu, gi¶ng d¹y vµ häc tËp vÒ lÜnh vùc tÝnh to¸n l­îng tö, ®ãng vai trß lµ c«ng cô ®¾c lùc ®Ó trî gióp cho viÖc ho¹t ®éng mét labo nghiªn cøu vÒ m¸y tÝnh l­îng tö trong c¸c viÖn khoa häc, c¸c tr­êng ®¹i häc ë ViÖt Nam. + Do ®­îc thiÕt kÕ më, VQS sÏ ®­îc hoµn thiÖn tõng b­íc trong t­¬ng lai ®Ó thÝch hîp cho viÖc nghiªn cøu nhiÒu h­íng kh¸c nhau cña tÝnh to¸n l­îng tö. + Thêi gian tíi, nhãm sÏ tiÕp tôc hoµn thiÖn ch­¬ng tr×nh víi nhiÒu tÝnh n¨ng míi, thùc hiÖn kh¶ tÝnh to¸n trªn m«i tr­êng song song cho VQS (chØ cÇn thay ®æi hÖ qu¶n trÞ CSDL thÝch hîp ch¼ng h¹n Oracle,…), ®ång thêi tiÕp tôc nghiªn cøu lý thuyÕt, sö dông VQS ®Ó t×m tßi c¸c thuËt to¸n míi. + Tµi liÖu kü thuËt nµy còng sÏ h÷u Ých cho nh÷ng nhãm khoa häc, ®Æc biÖt lµ sinh viªn ngµnh to¸n tin khi quan t©m ®Õn c¸c øng dông c«ng nghÖ cña SQL trong nh÷ng lÜnh vùc hoµn toµn míi cña tÝnh to¸n khoa häc ngoµi nh÷ng môc ®Ých qu¶n lý c¬ së d÷ liÖu truyÒn thèng, gîi ý kh¶ n¨ng t¨ng c­êng søc m¹nh cña SQL cho c¸c môc tiªu míi cña khoa häc tÝnh to¸n. Tµi liÖu tham kh¶o D.Aharonov, Quantum Computation, arXiv: quant-Ph/9810237, 12/1998. Phan Hoµng Anh, øng dông ph­¬ng ph¸p truy vÊn d÷ liÖu trong tÝnh to¸n khoa häc, c«ng tr×nh nghiªn cøu khoa häc khoa To¸n Tin øng dông, tr­êng §HBKHN, 2001 (gi¶i nh× bé, nh× VIFOTEC). A.Barenco, C.H.Bennett, R.Cleve, D.P.D.Divicenzo, N.Margolus, P.W.Shor, T.Sleator, J.Smolin, H.Weinffurter, Elementary Gates For Quantum Computation, arXiv: quant-Ph/950316, 3/1995. A. Ekert, P. Hayden, H. Inamori, Basic Concepts In Quantum Computation, 11/2000, arXiv: quant-ph/0011013. R. Feynman, Quantum Mechanical Computers, Foundations of Physics, 16, No.6. March 1985. L. Grover, A Fast Quantum Mechanical Algorithm For Database Search, Proceedings, STOC 1996. Phạm Hữu Khang, Kỹ thuật lập tr×nh ứng dụng C#. Net toµn tập, tập 1, 2, 3, NXB Lao §éng - X· Héi, 2000. A. Yu. Kitaev, A.H. Shen, M.N. Vyalyi, Classical And Quantum Computation, Graduate Studies in Mathematics volume 47. Damian P. Menscher, Modeling The Quantum Computer On The Classical Computer, 8/1997, PhD program in physics. Univ. Illinois. Honor Thesis. K.Obenland, A. Despain, Simulation Of Factoring On a Quantum Computer Architecture, Proc. of physics of Compitation 1996. D­¬ng ThÕ Quang, Ng«n ng÷ cña c¸c hÖ qu¶n trÞ c¬ së d÷ liÖu- S.Q.L.-Structred Query Language, NXB Thèng Kª, Hµ Néi 1995. B.V.Sabat, Gi¶i tÝch phøc, NXB §¹i Häc Vµ Trung Häc Chuyªn NghiÖp, 1974. Peter W. Shor, Polynomial-Time Algorithms For Prime Dacotrization And Disrete Logarithms On a Quantum Computer, arXiv: quant-ph/ 050802 v2 25 Jan 1996. L¹i §øc ThÞnh, Bµi gi¶ng sè häc, NXB Gi¸o Dôc, 1970. R.Allen Wyke, Sultan Renman, Brad Leupen, XML Programming, Microsoft Press, 2002. Phô lôc. Giíi thiÖu ch­¬ng tr×nh Tæng quan + PhÇn mÒm ®­îc x©y dùng nh»m m« pháng m¹ch l­îng tö cã kh¶ n¨ng thùc thi nh»m trî gióp nghiªn cøu c¸c thuËt to¸n l­îng tö trªn nÒn m¸y tÝnh truyÒn thèng hiÖn cã. B­íc ®Çu phÇn mÒm nµy cung cÊp nh÷ng ®èi t­îng c¬ b¶n cña lý thuyÕt tÝnh to¸n l­îng tö nh­ : thanh ghi l­îng tö, qubit, c¸c cæng c¬ b¶n ... §ång thêi, ch­¬ng tr×nh víi giao diÖn th©n thiÖn cho phÐp ng­êi dïng dÔ dµng thiÕt kÕ mét m¹ch bÊt kú víi nh÷ng thao t¸c kÐo th¶ rÊt quen thuéc. + PhÇn mÒm ®­îc thiÕt kÕ d­íi sù ph©n tÝch kü l­ìng vÒ sù t­¬ng thÝch gi÷a nh÷ng kh¸i niÖm lý thuyÕt vµ søc m¹nh cña nh÷ng c«ng cô hiÖn cã nh­ : ng«n ng÷ lËp tr×nh Visual C#, hÖ qu¶n trÞ c¬ së d÷ liÖu SQL Server 2000, ng«n ng÷ ®Þnh d¹ng më réng XML . + PhÇn mÒm lµ mét nç lùc cña nhãm nh»m phôc vô môc ®Ých l©u dµi nªn chóng t«i thùc hiÖn thiÕt kÕ theo h­íng më, do ®ã sÏ dÔ dµng ®­îc më réng cho c¸c c«ng cô míi sau nµy. + Chóng t«i ®ang vµ sÏ tiÕp tôc n©ng cÊp ®Ó ë nh÷ng phiªn b¶n sau, s¶n phÈm cã kh¶ n¨ng trî gióp nhiÒu tÝnh n¨ng nh­: ®ãng gãi mét cæng phøc hîp do ng­êi dïng x©y dùng, thiÕt kÕ mét m¹ch míi tõ nh÷ng m¹ch ®· cã. + X©y dùng tµi liÖu ®ãng gãi ®Ó cã thÓ bµn giao, t¹o c¬ së cho øng dông tÝnh to¸n cña mét labo vÒ tÝnh to¸n l­îng tö cã qui m«. Chøc n¨ng chÝnh + Ng­êi dïng cã thÓ sö dông nh÷ng c«ng cô ®· ®­îc cung cÊp s½n trªn ToolBox ®Ó x©y dùng m¹ch theo ý muèn b»ng nh÷ng thao t¸c kÐo, th¶ quen thuéc vµ ®iÒn th«ng tin ®Çu vµo th«ng qua nh÷ng DialogBox. + Toµn bé qu¸ tr×nh lµm viÖc trªn mét m¹ch ®­îc qu¶n lý bëi mét ®èi t­îng m¹ch. Trªn nÒn ®èi t­îng ®ã ta míi ®i x©y dùng nh÷ng thµnh phÇn c¬ b¶n nh­: thanh ghi, qubit, cæng ... + Song song víi qu¸ tr×nh x©y dùng m¹ch qua c¸c ®èi t­îng ®å ho¹ ch­¬ng tr×nh cã 2 chøc n¨ng: - Ng­êi dïng cã thÓ ghi l¹i néi dung cÊu tróc m¹ch d­íi ®Þnh d¹ng file *.xml sau khi x©y dùng m¹ch xong mµ sau nµy chÝnh ch­¬ng tr×nh cã thÓ sö dông nh÷ng file nµy ®Ó dùng l¹i m¹ch, theo néi dung file. - Nh÷ng th«ng tin vÒ khëi t¹o m¹ch sÏ ®­îc ®äc tõ file *.xml ®Ó truyÒn vµo CSDL. Sau ®ã nh÷ng thñ tôc ®­îc x©y dùng trong SQL sÏ ®¶m nhËn vai trß xö lý tÝnh to¸n, biÕn ®æi vµ cËp nhËt tr¹ng th¸i. + Qu¸ tr×nh thùc thi m« pháng trªn m¸y ¶o cã thÓ ®­îc thùc hiÖn ë 2 chÕ ®é: - Thùc thi bëi bé nhí trong Tools -> Options -> Memory Virtual Machine - Thùc thi trªn SQL Serverr : Tools -> Options -> SQL Server Virtual Machine. + Theo dâi kÕt qu¶ thùc hiÖn: Sau khi thùc hiÖn m« pháng ta cã thÓ xem c¸c kÕt qu¶ b»ng c¸ch ®äc d÷ liÖu tõ c¬ së d÷ liÖu ®Ó thÊy ®­îc t¸c ®éng vµ hiÖu qu¶ cña m¹ch mµ ta ®· x©y dùng th«ng qua c¸c phÐp ®o qubit. + Cã chøc n¨ng cho phÐp ng­êi dïng t¹o, sö dông vµ sö dông l¹i c¸c cæng Oracle: sö dông c¸c cæng Oracle lµ mét ph­¬ng ph¸p mang l¹i nhiÒu søc m¹nh cho c¸c thuËt to¸n l­îng tö. ChÝnh v× vËy ®Ó tËn dông ®­îc ®iÓm m¹nh nµy vµo trong c¸c m¹nh l­îng tö, c«ng tr×nh tËp trung x©y dùng nhתu tÝnh n¨ng hç trî c¸c cæng Oracle. VQS cho phÐp ng­êi dïng tù t¹o mét Oracle bÊt k× øng víi mét hµm x¸c ®inh, hç trî ph­¬ng ph¸p nhËp hµm theo biÓu thøc nhê bé ph©n tÝch biÓu thøc sè häc ®­îc biÓu diÔn d­íi d¹ng cÊu tróc d÷ liÖu c©y nhÞ ph©n. T­¬ng t¸c giao diÖn + Muèn më mét Project míi ®Ó thùc hiÖn : Chän File->New->Project ->NhËp tªn Project míi. NhÊn Tab BasicGate, nã sÏ cho ta thÊy nh÷ng c«ng cô ®· ®­îc cung cÊp. Tõ ®©y ta cã thÓ tuú chän: thanh ghi, qubit, c¸c cæng c¬ b¶n... theo yªu cÇu cña m×nh b»ng thao t¸c kÐo vµ th¶ quen thuéc tõ ToolBox xuèng vïng Client cña ta. KÕt thóc thiÕt kÕ, nÕu ta muèn ghi l¹i néi dung: chän File -> Save All th× toµn bé cÊu tróc m¹ch ®ã sÏ ®­îc l­u l¹i d­íi file cïng tªn víi Project cña ta. + Muèn dùng l¹i mét m¹ch tõ file ®· cã s½n (ch¼ng h¹n file ta võa t¹o ra vµ ghi l¹i ë trªn ), thùc hiÖn: Chän File->Open->Project. Sau ®ã chän tªn file mµ ta muèn më. NhÊn GateType trong cöa sæ Project Explorer. NhÊn vµo dÊu “+” trong cöa sæ Project Explorer ®Õn tªn file cuèi cïng th× nhÊp ®óp vµo biÓu t­îng Êy ta sÏ cã m¹ch m« pháng l¹i. Sau ®©y lµ mét sè h×nh ¶nh vÒ ch­¬ng tr×nh (xem trang bªn) Giao diÖn chÝnh cña ch­¬ng tr×nh: (h×nh 1) H×nh 1 T¹o mét m¹ch míi:( h×nh 2) H×nh 2 KÐo th¶ c¸c cæng c¬ b¶n vµo m¹ch, thiÕt lËp c¸c th«ng sè cho c¸c cæng ®ã (h×nh 3) H×nh 3 Më mét m¹ch ®· cã (M¹ch céng 2 qubit) (h×nh 4) H×nh 4 M« pháng víi m¸y ¶o SQL Server: thiÕt lËp cÊu h×nh m¸y ¶o SQL Server Chän menu Simulation/Simulate (Ctrl F5) (h×nh 5) H×nh 5 KÕt qu¶ m« pháng (h×nh 6) H×nh 6