Quantum interference

Quantum interference (giao thoa lượng tử) là hiện tượng trong đó các biên độ xác suất của trạng thái lượng tử cộng hoặc trừ lẫn nhau, làm cho một số kết quả có xác suất rất cao khi đo, trong khi các kết quả khác gần như không bao giờ xảy ra. 

Nói một cách khác, giao thoa lượng tử là cách tự nhiên để “khuếch đại đáp án đúng và triệt tiêu đáp án sai”.

Trong vật lý sóng:

• Hai đỉnh sóng gặp nhau làm cho sóng mạnh hơn (giao thoa tăng cường)

• Đỉnh gặp đáy thì triệt tiêu (giao thoa phá hủy)

(Nguồn: https://www.linkedin.com/pulse/quantum-interference-ravi-sankar-velamuri)

Trong lượng tử, trạng thái là sóng xác suất. Khi các con đường (paths) dẫn đến cùng một kết quả gặp nhau, pha của chúng quyết định:

• Cùng pha sẽ làm tăng xác suất

• Ngược pha sẽ triệt tiêu xác suất

Điểm then chốt là: giao thoa lượng tử cộng biên độ (có dấu/pha), không cộng xác suất. Xác suất được tính bằng bình phương độ lớn của tổng biên độ. Vì vậy, hai “paths - con đường” đều có xác suất riêng không cao, nhưng nếu biên độ cùng pha, tổng lại có thể cho xác suất lớn; nếu ngược pha, có thể ra 0.

(Nguồn: https://www.semanticscholar.org/paper/Quantum-interference-experiments-with-large-Nairz-Arndt/7b011fcd7def93fb5ed567e0a2f9fc0b55a3f91e)

 Giao thoa xuất hiện ở đâu trong tính toán lượng tử?

Trong quantum circuit, giao thoa xuất hiện khi:

1. Tạo chồng chập (ví dụ dùng H gate) dẫn đến nhiều con đường tính toán

2. Điều khiển pha (Z, S, T, oracle…) : tthực hiện gắn “dấu” cho các con đường

3. Trộn lại (thường dùng H hoặc biến đổi tương tự) tạo ra các con đường giao thoa

Kết quả: đáp án mong muốn được khuếch đại, đáp án sai bị triệt tiêu.

Ví dụ minh họa đơn giản (1 qubit)

• Bắt đầu |0⟩

• Áp H → chồng chập (0 và 1, mỗi cái 50%)

• Áp Z (đổi pha của |1⟩)

• Áp H lần nữa 

Nếu pha được sắp đúng, xác suất dồn về |0⟩. Nếu pha ngược, xác suất dồn về |1⟩

Trong tính toán lượng tự, các thuật toán không hề “thử mọi đáp án”, mà là sắp xếp pha để giao thoa cho ra đáp án đúng.

Vai trò của giao thoa trong thuật toán lượng tử

• Grover: dùng giao thoa để khuếch đại xác suất nghiệm đúng sau mỗi vòng lặp

• Shor: dùng giao thoa để làm lộ chu kỳ (period) khi đo

• Random Circuit Sampling: giao thoa phức tạp tạo phân bố khó mô phỏng cổ điển

(Nguồn: https://postquantum.com/quantum-computing/quantum-interference/)

Giao thoa như chỉ huy một dàn nhạc sóng. Các quantum gates là “nhạc cụ”, và thuật toán lượng tử là cách sắp xếp các nhạc cụ đó sao cho  Đáp án đúng “tăng âm lượng” nhờ giao thoa cộng, đáp án sai bị “hủy âm” nhờ giao thoa triệt..  Chính việc này tạo ra lõi logic của nhiều thuật toán lượng tử mạnh như Grover’s algorithm (tìm kiếm nhanh hơn), Shor’s algorithm (phân tích thừa số nhanh hơn).

Tài liệu tham khảo và đọc thêm

• https://www.techtarget.com/whatis/definition/quantum-interference
• https://quantum.microsoft.com/en-us/insights/education/concepts/interference
• https://www.spinquanta.com/news-detail/exploring-quantum-interference-key-concepts-explained
• https://phys.libretexts.org/Bookshelves/Quantum_Mechanics/Quantum_Mechanics_(Walet)/13%3A_Miscellaneous_Quantum_Mechanics_Topics/13.09%3A_Quantum_Interference