Máy tính lượng tử System One - máy tính lượng tử của IBM

Máy tính lượng tử được kỳ vọng giải quyết hàng loạt vấn đề nhờ sức mạnh tính toán vượt trội, nhưng cũng có thể sinh ra những rắc rối mới.

Tại trung tâm nghiên cứu Thomas J. Watson của IBM ở Westchester, New York, các nhà khoa học luôn giữ trong túi một hộp chỉ nha khoa để phòng trường hợp cần thiết khi thao tác với máy tính lượng tử - thiết bị có kích cỡ như thùng dầu nhưng có thể hoàn thành tác vụ nhanh gấp hàng triệu lần laptop và hàng chục nghìn lần so với siêu máy tính mạnh nhất.

Máy tính lượng tử của IBM có tên System One, được che chắn bằng loại kính tương tự kính chống đạn bảo vệ bức tranh Mona Lisa, gồm ba hình trụ có chu vi nhỏ dần. Phần vỏ này bao bọc một chùm dây bạc vòng xếp nhiều tầng, đến tầng đế là nơi đặt một chip lượng tử.

Đèn chùm bên trong máy tính lượng tử được thiết kế để làm mát chip xử lý

"Đèn chùm" bên trong máy tính lượng tử được thiết kế để làm mát chip xử lý với nhiệt độ siêu lạnh. 

Để hoạt động bình thường, chip lượng tử yêu cầu nhiệt độ "siêu mát" tới 0,015 K (-273° C). Theo các chuyên gia, hầu hết vật liệu co lại hoặc trở nên giòn và dễ gãy dưới cái lạnh khắc nghiệt như vậy, nhưng chỉ nha khoa là trường hợp ngoại lệ.

"Chỉ nha khoa là vật liệu cần thiết để cố định hệ thống dây bên trong máy tính lượng tử, nhưng phải là loại không có sáp bao bọc hoặc không mùi. Nếu không, hơi thoát ra sẽ làm mọi thứ rối tung lên", Jay Gambetta, Phó chủ tịch mảng lượng tử của IBM, giải thích.

IBM tiên phong về máy tính lượng tử với hơn 60 cỗ máy đang hoạt động, nhiều hơn phần còn lại của thế giới cộng lại. Những cái tên nổi tiếng khác trong lĩnh vực có Google, Exxon-Mobil, Sony...

Sức mạnh của máy tính lượng tử

Trong khi máy tính truyền thống dựa vào các bit nhị phân - bật hoặc tắt, ký hiệu là 1 và 0 để xử lý thông tin, máy tính lượng tử sử dụng cái gọi là qubit làm nền tảng. Chúng là các hạt hạ nguyên tử nhỏ có thể tồn tại đồng thời ở cả hai trạng thái, giống như một đồng xu quay giữa không trung. Bước nhảy vọt từ xử lý kép sang xử lý đa biến giúp tăng sức mạnh tính toán theo cấp số nhân. Từ đó, những vấn đề phức tạp, mà siêu máy tính mạnh nhất phải mất vài năm để giải quyết, sẽ được máy tính lượng tử hoàn thành trong vài giây.

Theo giới chuyên gia, máy tính lượng tử nhìn bên ngoài có vẻ đơn giản, nhưng đang bắt đầu đóng vai kỳ quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ tối ưu hóa lộ trình của hàng nghìn tàu chở nhiên liệu đi khắp thế giới, ra quyết định bệnh nhân ICU nào cần được chăm sóc khẩn cấp, cho đến bắt chước quy trình hóa học ở cấp độ nguyên tử để thiết kế vật liệu mới. Ở lĩnh vực AI, máy tính lượng tử giúp huấn luyện thuật toán tốt hơn, có thể biến ôtô hay taxi bay không người lái thành hiện thực.

"Các mô phỏng AI lượng tử thể hiện mức độ hiệu quả đáng kinh ngạc thời gian qua", Chris Inglis, Giám đốc An ninh mạng quốc gia Mỹ, nhận xét.

Ứng dụng công nghiệp của máy tính lượng tử được đánh giá là vô tận. BMW là ví dụ. Thời gian tạo một mẫu ôtô mới mất ít nhất bốn năm, trong đó dài nhất là phần thử nghiệm. Nhưng theo Carsten Sapia, Phó chủ tịch chiến lược, quản trị và bảo mật của BMW, việc ứng dụng điện toán lượng tử trong mô phỏng vận hành xe giúp công ty rút ngắn quá trình ít nhất 6 tháng.

Trong khi đó, những gã khổng lồ công nghệ trên toàn cầu, từ Google, Amazon của Mỹ đến Alibaba của Trung Quốc đang chạy đua chiếm ưu thế về công nghệ lượng tử. Theo IDC, ngành công nghiệp điện toán lượng tử toàn cầu sẽ tăng từ 412 triệu USD năm 2020 lên 8,6 tỷ USD vào 2027.

"Công nghệ này sẽ là cuộc cách mạng công nghiệp tiếp theo", Tony Uttley, Chủ tịch của Quantinuum - công ty chuyên cung cấp ứng dụng lượng tử thương mại tại Colorado, nhận xét. "Nó giống như sự khởi đầu của Internet, hay sự khởi đầu của điện toán cổ điển".

Vấn đề của máy tính lượng tử

Với sức mạnh tính toán vượt trội, máy tính lượng tử có thể mở ra khả năng chưa từng có, giúp giải quyết những thách thức hiện hữu như biến đổi khí hậu và an ninh lương thực. Với những đột phá gần đây, con người được dự đoán đang bắt đầu cho một cuộc cách mạng lượng tử.

Nhưng cũng như bất kỳ công nghệ nào, đột phá luôn đi kèm với rủi ro. Theo các chuyên gia, khả năng giải quyết vấn đề nhanh gọn của điện toán lượng tử có thể khiến các hệ thống tính toán hiện tại trở nên lỗi thời, gây nguy hiểm cho thông tin liên lạc, giao dịch tài chính và thậm chí cả phòng thủ quân sự.

Trong số đó, sức mạnh giải mã là mối lo lớn nhất. Hiện tất cả hệ thống an ninh mạng, từ tin nhắn WhatsApp, chuyển khoản ngân hàng đến chữ ký số đều dựa trên RSA, thuật toán mã hóa bất đối xứng được sử dụng để truyền dữ liệu một cách an toàn.

Với RSA, máy tính thông thường có thể cần tới hàng tỷ năm để bẻ khóa, nhưng máy tính lượng tử có thể chỉ mất vài giờ. Tháng 12/2022, một nhóm nhà khoa học Trung Quốc tuyên bố đã phát triển một thuật toán lượng tử để phá vỡ RSA bằng máy tính 372 qubit. Dù chưa được bên thứ ba xác thực, kết quả nghiên cứu cũng tạo sự tranh luận sôi nổi lẫn những lo ngại khi các hệ thống mã hóa hiện tại đều bị máy tính lượng tử bẻ khóa dễ dàng.

Dario Gil, Phó chủ tịch cấp cao kiêm giám đốc nghiên cứu của IBM, đánh giá máy tính lượng tử hiện chưa đủ mạnh để bẻ khóa, nhưng tương lai không như vậy. "Hacker có thể đã thu thập dữ liệu để dùng cho vài năm nữa. Mỗi ngày, nếu không chuyển sang giao thức an toàn hơn, nguy cơ bị xâm nhập hệ thống và tấn công sẽ xảy ra", ông dự đoán.

Bên cạnh rủi ro bảo mật, khả năng tính toán của máy tính lượng tử cũng khiến việc xác minh tính đúng sai của nó vô cùng khó khăn. Trong khi với máy tính hiện tại, con người vẫn có thể kiểm tra lại kết quả bằng bút và giấy. "Đó có thể là sự nhảy vọt về niềm tin", Gil nói. "Việc xây dựng lòng tin trên toàn bộ hệ sinh thái máy tính lượng tử thực sự quan trọng".