Khám phá Máy tính lượng tử – Tiềm năng, nguy cơ, tương lai

Tags: quantum

Tóm tắt: Bài viết này sẽ khám phá thế giới bí ẩn của máy tính lượng tử, một công nghệ đột phá hứa hẹn cách mạng hóa nhiều lĩnh vực của đời sống. Chúng ta sẽ tìm hiểu về những lợi ích to lớn của công nghệ này, đồng thời cũng phân tích những nguy cơ tiềm ẩn, đặc biệt là đối với an ninh mạng và sự cân bằng quyền lực quốc tế.

Trung tâm bí mật của IBM

Một tổ chức bí mật đang cất giữ một cỗ máy mang tính cách mạng, một cỗ máy có khả năng khai thác những nguyên tắc vật lý kỳ lạ, đến mức dường như chạm đến ranh giới của phép thuật. Đó chính là trung tâm nghiên cứu của IBM, cái nôi của những đột phá vĩ đại nhất trong lịch sử khoa học máy tính, và rất có thể sẽ tiếp tục là nơi chứng kiến những bước tiến vượt bật trong tương lai. Bởi vì, đây là nơi họ đang xây dựng máy tính lượng tử.

Máy tính lượng tử dựa trên nguyên lý cơ học lượng tử, một ngành vật lý nghiên cứu hành vi của vật chất và năng lượng ở cấp độ nguyên tử và hạt nhân. Khác biệt lớn nhất giữa máy tính truyền thống và máy tính lượng tử là cách chúng lưu trữ và xử lý thông tin. Máy tính truyền thống sử dụng bit, có thể ở trạng thái 0 hoặc 1, trong khi máy tính lượng tử sử dụng qubit, có thể ở trạng thái 0, 1, hoặc cả hai cùng lúc.

Tiềm năng của máy tính lượng tử là vô cùng lớn, hứa hẹn những cuộc cách mạng trong khoa học vật liệu, y học, vật lý cơ bản, và nhiều lĩnh vực khác. Ví dụ, máy tính lượng tử có thể được sử dụng để:

• Thiết kế thuốc và vật liệu mới: Bằng cách mô phỏng hành vi của phân tử ở cấp độ lượng tử, các nhà khoa học có thể phát triển thuốc hiệu quả hơn và vật liệu mới có tính năng ưu việt.
• Gia tăng hiệu quả năng lượng: Máy tính lượng tử có thể được sử dụng để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, giúp giảm thiểu lượng khí thải và bảo vệ môi trường.
• Phát triển thuật toán mã hóa mới: Máy tính lượng tử có thể phá vỡ các thuật toán mã hóa hiện tại, nhưng đồng thời cũng có thể được sử dụng để phát triển các thuật toán mã hóa mới, an toàn hơn.

Tuy nhiên, bên cạnh những triển vọng tươi sáng đó, vẫn tồn tại một mặt tối: Máy tính lượng tử cũng có thể giải mã mọi hình thức giao tiếp trên internet.

Cuộc đua vũ trang lượng tử: Ai sẽ là người chiến thắng?

Hiện nay, đang diễn ra một cuộc chạy đua vũ trang lượng tử giữa Hoa Kỳ và Trung Quốc, đối thủ kinh tế lớn nhất của họ. Ai sẽ là người chiến thắng trong cuộc đua này? Liệu công nghệ lượng tử sẽ đưa nhân loại đến đâu?

IBM Quantum System 2 – con quái vật sáng bóng đồ sộ đang được thử nghiệm tại trụ sở nghiên cứu của IBM – là một trong những minh chứng rõ ràng nhất cho tiềm năng của công nghệ lượng tử.

Vậy điều gì khiến nó trở nên quan trọng đến như vậy? Nó không chỉ đơn thuần là một siêu máy tính mạnh hơn hay một trí tuệ nhân tạo cao cấp hơn, mà là một phương pháp tính toán hoàn toàn mới.

Khác biệt của máy tính lượng tử: Khai thác bí ẩn lượng tử

Sự khác biệt lớn nhất nằm ở khả năng khai thác những hiệu ứng bí ẩn của vật lý lượng tử. Máy tính truyền thống thực hiện các phép tính bằng cách sử dụng hàng tỷ công tắc bật/tắt nhỏ xíu, được gọi là bit. Những bit này rất đáng tin cậy, chính xác và hoạt động theo trình tự.

Ví dụ, nếu bạn yêu cầu một máy tính thông thường giải một bài toán mê cung, nó sẽ kiểm tra từng đường đi có thể cho đến khi tìm ra lối thoát. Tùy thuộc vào độ phức tạp của mê cung, quá trình này có thể mất vài giây, vài phút, hoặc thậm chí đối với những mê cung cực kỳ lớn, có thể mất nhiều năm.

Ngược lại, máy tính lượng tử hoạt động theo một cách khác. Trong máy tính lượng tử, các bit được gọi là bit lượng tử (qubit). Thay vì chỉ ở trạng thái bật hoặc tắt, một qubit có thể tồn tại ở trạng thái chồng chập, nghĩa là nó có thể vừa bật vừa tắt cùng một lúc.

Điều này nghe có vẻ vô lý, nhưng đó chính là cách vật lý vận hành ở cấp độ nguyên tử. Khả năng kỳ lạ này của qubit, việc tồn tại ở hai trạng thái cùng một lúc, cho phép một chuỗi qubit thực hiện nhiều phép tính đồng thời.

Do đó, nếu bạn yêu cầu một máy tính lượng tử giải bài toán mê cung, nó có thể xem xét tất cả các đường đi cùng một lúc và đưa ra câu trả lời ngay lập tức. Điều này cho phép máy tính lượng tử hoàn thành trong vài phút những phép tính phức tạp mà siêu máy tính hiện nay phải mất hàng triệu năm.

Tiềm năng đột phá: Vượt xa tốc độ tính toán

Nhưng đó không phải là lý do duy nhất khiến máy tính lượng tử trở thành một công cụ đột phá cho khoa học. Điều thực sự quan trọng chính là bản chất của cơ học lượng tử.

Khi đi sâu vào sự tương tác giữa các phân tử và nguyên tử, bản chất của vật chất không còn tuân theo vật lý cổ điển ở cấp độ lượng tử. Vật lý cổ điển chỉ là một phép tính gần đúng rất sơ sài. Do đó, nếu muốn thực sự hiểu cách tự nhiên vận hành và phát triển theo thời gian, chúng ta cần một hệ thống tuân theo vật lý lượng tử.

Hệ thống này sẽ cho phép chúng ta thực hiện các mô phỏng ở cấp độ nguyên tử. Khi làm được điều đó, chúng ta có thể thiết kế thuốc, vật liệu, pin ở cấp độ nguyên tử – điều mà nhân loại chưa bao giờ làm được trước đây.

Thách thức: Sự thật phũ phàng

Khi máy tính lượng tử được nhắc đến, mọi người đều hào hứng về sức mạnh và tốc độ tính toán của nó. Nhưng trên thực tế, chúng ta nên nhìn nhận điều này giống như việc ai đó vừa phát minh ra kính viễn vọng, nghĩa là đột nhiên chúng ta có thể quan sát và hiểu được mọi thứ ở một quy mô mà trước đây ta không thể tiếp cận.

Máy tính lượng tử hiện vẫn chưa thể thực hiện các phép tính hữu ích tốt hơn siêu máy tính. Bởi vì trên thực tế, việc khiến cho dù chỉ một số ít qubit hoạt động ổn định và đưa ra kết quả đáng tin cậy là vô cùng khó khăn.

Bộ phận quan trọng nhất của máy tính lượng tử chính là con chip nhỏ bé chứa các qubit, chứ không phải toàn bộ hệ thống làm mát đồ sộ xung quanh con chip. Con chip qubit, tuy nhỏ nhưng rất quan trọng và dễ vỡ, đòi hỏi môi trường vận hành cực kỳ lạnh, gần độ không tuyệt đối (-273,15°C), để tránh nhiễu loạn năng lượng bên ngoài ảnh hưởng đến tính toán. Hệ thống làm mát phức tạp này được ví như lạnh hơn cả bức xạ nền vi sóng vũ trụ.

Cuộc đua khốc liệt và những nguy cơ tiềm ẩn

IBM dự kiến sẽ khai thác hết tiềm năng của lượng tử vào năm 2033, với khoảng đầu tư khổng lồ ước tính hàng tỷ đô la. Mặc dù cạnh tranh gay gắt, IBM hướng đến việc xây dựng một ngành công nghiệp lượng tử, hợp tác với các đối thủ như Google và Microsoft để thúc đẩy sự phát triển chung. Tuy nhiên, sự hợp tác này không bao gồm Trung Quốc.

Nguy cơ của máy tính lượng tử hiện tại: Mặc dù Hoa Kỳ đang dẫn đầu trong lĩnh vực này, Trung Quốc được xác định là đối thủ cạnh tranh chính, với mức đầu tư gấp ba lần trung bình của các quốc gia khác, sở hữu nhiều viện nghiên cứu và bằng sáng chế. Trung Quốc coi khoa học và công nghệ là tài sản quốc gia, với chiến lược đầu tư dài hạn và toàn diện.

Trong khi đó, Hoa Kỳ thiếu một kế hoạch tổng thể tương tự, khiến các nhà nghiên cứu Mỹ gặp bất lợi trong cuộc đua công nghệ này.

Cuộc đua phát triển máy tính lượng tử đang diễn ra rất khốc liệt, một phần là vì nguy cơ mà nó mang đến đối với an ninh dữ liệu, đặc biệt là trong lĩnh vực tài chính và an ninh quốc gia.

Điểm mấu chốt nằm ở khả năng giải mã của máy tính lượng tử. Ví dụ, một trong những cách mã hóa thông tin của máy tính cổ điển là sử dụng phép nhân hai số nguyên tố lớn, tạo ra một mã khó có thể bị phá vỡ trong thời gian hợp lý.

Tuy nhiên, máy tính lượng tử, nhờ khả năng tính toán song song vượt trội, có thể dễ dàng tìm ra hai số nguyên tố ban đầu chỉ trong vòng vài phút, vô hiệu hóa phương pháp mã hóa hiện tại.

Chẳng hạn, cơ chế mã hóa RSA sử dụng số nguyên tố dài hàng trăm triệu số, khiến máy tính cổ điển mất hàng nghìn tỷ năm để giải mã. Nhưng máy tính lượng tử có thể phá vỡ rào cản này, tạo ra nguy cơ mất an toàn dữ liệu trên diện rộng.

Ngành ngân hàng, với khối lượng giao dịch khổng lồ, đặc biệt là dễ bị tổn thương. Nếu không được giải quyết, nguy cơ bị tấn công mạng có thể dẫn đến mất mát tài chính, đánh cắp danh tính, và quan trọng nhất là làm suy giảm lòng tin của khách hàng vào hệ thống ngân hàng.

Nguy hiểm hơn nữa là khả năng xảy ra các cuộc tấn công lưu trưởng. Giải mã sau có nghĩa là các tác nhân độc hại có thể đang bí mật thu thập dữ liệu được mã hóa hiện tại để giải mã trong tương lai khi máy tính lượng tử đủ mạnh xuất hiện.

Chưa hết, các cơ quan tình báo và bí mật quốc gia có thể bị lộ dữ liệu nếu máy tính lượng tử rơi vào tay của kẻ xấu. Việc mất đi sự bảo mật thông tin sẽ tạo ra những lỗ hỏng nghiêm trọng ở cả cấp độ cá nhân và quốc gia, ảnh hưởng đến an ninh thương mại và nhiều lĩnh vực khác.

Do đó, việc đối phó với thách thức an ninh do máy tính lượng tử đặt ra là một vấn đề cấp bách và cực kỳ quan trọng.

Bảo mật lượng tử: Con đường mới cho an ninh mạng

Hiện nay, dữ liệu internet được truyền tải qua cáp quang. Tiến sĩ Andrew, giám đốc công nghệ lượng tử tại Toshiba, giải thích rằng mặc dù mạng cáp quang nhìn chung là an toàn, nhưng chúng vẫn có lỗ hỏng.

Khi bẻ cong sợi quang, một lượng nhỏ ánh sáng có thể bị rò rỉ ra ngoài. Tin tặc có thể lợi dụng điểm yếu này bằng cách bẻ cong sợi quang để đánh cắp một phần ánh sáng, và từ đó giải mã dữ liệu bị lộ. Điều này đáng báo động vì chỉ cần tiếp cận được cáp quang là có thể thực hiện được.

Tiến sĩ SS đã phát triển một thiết bị sử dụng các nguyên lý vật lý lượng tử để truyền dữ liệu theo cách được cho là bất khả xâm phạm. Thiết bị này được gọi là phân phối khóa lượng tử, có nhiệm vụ gửi các photon đơn lẻ qua mạng cáp quang để tạo ra các khóa mã hóa.

Những khóa này sau đó được sử dụng để bảo mật dữ liệu truyền giữa địa điểm hiện tại và trung tâm dữ liệu ở Boer. Cụ thể, thiết bị tạo ra một mã bí mật bằng cách gửi từng photon riêng lẻ qua cáp quang. Theo nguyên lý cơ bản của vật lý lượng tử, việc quan sát một photon sẽ làm thay đổi trạng thái lượng tử của nó. Do đó, nếu tin tặc cố gắng chặn khóa, mã sẽ bị thay đổi, khiến nó trở nên vô dụng.

Thiết bị này đã được sử dụng trên mạng cáp quang thí nghiệm để gửi các tệp nhạy cảm từ London đến một trung tâm dữ liệu cách đó hơn 30 dặm. Ngân hàng HSBC đang sử dụng công nghệ này để bảo vệ dữ liệu tài chính của mình, và những thử nghiệm khác cũng đã được tiến hành với các bệnh viện để gửi dữ liệu quét y tế, và với các chính phủ để gửi dữ liệu bảo mật.

Tương lai của máy tính lượng tử: Một cuộc cách mạng sắp đến

Máy tính lượng tử, dù chưa phổ biến rộng rãi, nhưng đang ngày càng thu hút sự chú ý của các công ty, thúc đẩy họ chuẩn bị cho sự xuất hiện tất yếu của công nghệ này.

Mặc dù chưa thể xác định chính xác thời điểm máy tính lượng tử sẽ trở nên phổ biến, tiến sĩ SS ước tính khoảng năm cho đến 7 năm tới. Ông khẳng định rằng vấn đề không nằm ở việc liệu điều này có xảy ra hay không, mà là khi nào nó sẽ xảy ra.

Sự phổ biến của máy tính lượng tử sẽ khiến các hệ thống truyền thông hiện tại trở nên dễ bị tấn công, đòi hỏi chúng ta phải phát triển các giải pháp thay thế an toàn và hiệu quả hơn.

Cuộc đua quốc tế và những thách thức địa chính trị

Một ví dụ điển hình về sự phát triển nhanh chóng của công nghệ lượng tử là việc Trung Quốc phóng một vệ tinh lượng tử vào năm 2016. Vệ tinh này có khả năng truyền khóa lượng tử qua khoảng cách vượt xa giới hạn của cáp quang. Đây là một phần trong nỗ lực xây dựng mạng lưới lượng tử rộng khắp của Trung Quốc, kết nối với các ngân hàng, cơ quan chính phủ và các ngành công nghiệp trên toàn quốc. Sự kiện này đã tạo ra áp lực cạnh tranh đáng kể lên các quốc gia khác.

Singapore cũng đang đầu tư đáng kể vào lĩnh vực này, với các nhà khoa học tại Trung tâm Công nghệ lượng tử thuộc Đại học Quốc gia Singapore đang nghiên cứu phát triển một mạng lưới lượng tử không thể bị xâm nhập, hướng tới mục tiêu thương mại hóa để phổ biến công nghệ này đến người dùng đại chúng.

Một phần quan trọng của dự án này là việc phát triển các vệ tinh nano công nghệ lượng tử, đặc biệt là ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông, mang lại tiềm năng to lớn nhưng đồng thời cũng đặt ra những thách thức địa chính trị.

Tại Singapore, một thí nghiệm đang được tiến hành nhằm kiểm tra khả năng triển khai công nghệ lượng tử trên các vệ tinh nhỏ và nhẹ hơn nhiều so với vệ tinh của Trung Quốc. Mục tiêu của thí nghiệm này là xây dựng một mạng lưới truyền thông lượng tử toàn cầu bằng cách kết hợp vệ tinh và cáp quang, nhằm khắc phục hạn chế về khoảng cách truyền tín hiệu lượng tử qua cáp.

Thí nghiệm tập trung vào việc phát và thu nhận các photon đơn lẻ trong không gian thông qua một hệ thống gồm vệ tinh và kính thiên văn đặt tại mặt đất. Công nghệ này hứa hẹn sẽ tạo ra một hệ thống liên lạc toàn cầu an toàn, bất khả xâm phạm. Việc sử dụng các vệ tinh nhỏ hơn sẽ giúp giảm chi phí và tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai hệ thống trên quy mô lớn.

Sự hợp tác quốc tế, đặc biệt là giữa Singapore với các công ty tại Mỹ và Trung Quốc, đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của công nghệ lượng tử. Sự hợp tác này được hình thành trong giai đoạn quan hệ quốc tế cởi mở hơn vào cuối những năm 1980 và đầu những năm 1990.

Tuy nhiên, bối cảnh địa chính trị hiện tại, với sự gia tăng cạnh tranh và căng thẳng, đang đặt ra những câu hỏi về tương lai của sự hợp tác này. Các vấn đề như kiểm soát xuất khẩu công nghệ có thể gây trở ngại cho sự phát triển và ứng dụng công nghệ lượng tử.

Việc áp đặt các biện pháp kiểm soát quá sớm có thể kìm hãm sự đổi mới và trì hoãn việc khai thác những lợi ích tiềm năng của công nghệ lượng tử.

Kết luận: Tương lai của công nghệ lượng tử

Mặc dù các ngân hàng và chính phủ đều nhận thức được cả rủi ro và tiềm năng của công nghệ này, câu hỏi đặt ra là liệu cuộc đua dành ưu thế về công nghệ lượng tử có thực sự quyết định tương lai của quyền lực toàn cầu hay không?

Vì cuối cùng, công nghệ lượng tử không chỉ là một cuộc đua giữa các cường quốc, mà còn là một công cụ khoa học mang lại lợi ích cho toàn nhân loại, cho phép chúng ta khám phá và hiểu rõ hơn về vũ trụ ở cấp độ nguyên tử theo những cách chưa từng có trước đây.

Cảm ơn bạn đã xem bài viết này!

Bảng so sánh máy tính truyền thống và máy tính lượng tử

Tính năng	Máy tính truyền thống	Máy tính lượng tử
Cơ sở hoạt động	Bit	Qubit
Trạng thái của bit/qubit	0 hoặc 1	0, 1 hoặc cả hai cùng lúc (trạng thái chồng chập)
Khả năng tính toán	Tính toán tuần tự	Tính toán song song
Ưu điểm	Đáng tin cậy, chính xác, dễ sản xuất	Tiềm năng giải quyết các vấn đề phức tạp, tốc độ tính toán nhanh hơn
Nhược điểm	Hạn chế về độ phức tạp, thời gian tính toán lâu	Khó kiểm soát, dễ bị nhiễu loạn, chi phí cao
Ứng dụng	Tính toán hàng ngày, xử lý dữ liệu, giải quyết các vấn đề đơn giản	Khoa học vật liệu, y học, mật mã, tối ưu hóa

Nhận xét

Máy tính lượng tử là một công nghệ đột phá với tiềm năng to lớn, nhưng đồng thời cũng mang đến nhiều thách thức. Nó có thể mang lại những lợi ích chưa từng có cho nhân loại trong các lĩnh vực khoa học, công nghệ và y học, nhưng cũng có thể tạo ra những nguy cơ nghiêm trọng đối với an ninh mạng và sự cân bằng quyền lực quốc tế. Cần có sự đầu tư và hợp tác quốc tế để phát triển công nghệ lượng tử một cách có trách nhiệm và khai thác tối đa tiềm năng của nó, đồng thời giảm thiểu những rủi ro tiềm ẩn.