Máy tính lượng tử: Cỗ máy đến tương lai

T ất cả đang trong cuộc chạy đua nắm trong tay cỗ máy có thể tạo nên những cuộc cách mạng vô tiền khoáng hậu.

ỨNG DỤNG ĐA NĂNG

Trong Thế chiến thứ II, quân đội Anh có một vũ khí bí mật, đó là Alan Turing, một nhà khoa học, được coi là cha đẻ của máy tính hiện đại. Ông đã tạo ra một chiếc máy tính cơ điện tử chỉ với tốc độ tính toán 15 phép tính một giây (cho mỗi bộ máy), nhưng đã làm được việc mà hơn 11.000 người tại Bletchley Park (Anh) cộng 4.000 người ở Mỹ không làm được, đó là giải mật được các bức điện quân sự của Đức.

Chiếc máy đã giúp người Anh đọc được khoảng 3.000 bức điện mật của quân đội Đức chỉ trong vài phút. Các nhà nghiên cứu đánh giá nhờ chiếc máy này, Thế chiến thứ II được rút ngắn khoảng 2 năm, cứu sống hơn 14 triệu người. Một chiếc máy tính chỉ tính được 15 phép toán mỗi giây đã đủ xoay chuyển cả cuộc chiến toàn thế giới.

So với máy tính truyền thống, máy tính lượng tử của Google có thể rút ngắn thời gian giải một bài toán từ 10.000 năm xuống còn 200 giây.

Như vậy, nếu chiếc máy tính lượng tử (Quantum Computing), với năng lực tính toán gấp cả tỉ lần so với máy tính mạnh nhất bây giờ ra đời, chắc chắn sẽ làm cả thế giới phải thay đổi. Thế giới chúng ta đang sống được bảo vệ bởi các loại mật mã, mật khẩu. Nó được dùng trên chiếc vali hạt nhân của Tổng thống Mỹ, bảo vệ hệ thống internet, bảo vệ két sắt điện tử của ngân hàng... Với những người bình thường, nó dùng để bảo vệ máy tính, bảo vệ điện thoại, email, bảo vệ các ứng dụng ngân hàng, mỗi lần chuyển tiền, rút tiền ở cây ATM cũng cần nó bảo vệ. Nó còn được dùng để bảo vệ chúng ta khi đăng nhập vào mạng xã hội Facebook, Zalo, các diễn đàn, trang web... 

Cho đến nay, các giao dịch của chúng ta vẫn an toàn vì chưa có một máy tính nào đủ năng lực mò ra được các mật mã, mật khẩu trong thời gian cho phép. Ước tính, để phá được mã bây giờ, máy tính mạnh nhất cũng phải mất cả ngàn năm.

Nhưng điều này sẽ thay đổi nếu có máy tính lượng tử. Các hạt lượng tử có một tính chất, nghe rất kỳ lạ và khó tin: Một hạt lượng tử có mặt ở nhiều nơi cùng một lúc. Ứng dụng tính chất này, máy tính lượng tử có thể thực hiện nhiều phép toán cùng một lúc. Về lý thuyết, các máy tính lượng tử có thể thử cùng một lúc 1,6 tỉ trường hợp của phép chia, trong khi các máy tính thường phải thử lần lượt 1,6 tỉ lần.

Với sức mạnh như thế, máy tính lượng tử sẽ dễ dàng bẻ khóa mọi mật mã hiện nay. Ở một mặt khác, với năng lực tính toán khủng khiếp như vậy, máy tính lượng tử có rất nhiều ứng dụng thiết thực cho đời sống. Mặc dù vẫn còn nhiều hạn chế về hiểu biết đối với thế giới lượng tử, nhưng động lực để khám phá thế giới lượng tử lại cực kỳ to lớn. Máy tính lượng tử có những năng lực vĩ đại và có ý nghĩa, những năng lực thay đổi thế giới. Trong lĩnh vực y học, nó có thể giúp sản xuất thuốc, vaccine và chữa bệnh, hay giải mã bộ gen của con người... Bởi để đưa một phương thuốc chữa bệnh hoặc vaccine sử dụng đại trà thì phải trải qua hàng ngàn cuộc thử nghiệm, hàng chục năm phát triển và tiêu tốn nhiều tiền của nghiên cứu, sản xuất. 

Cụ thể, theo Cynthia Pussinen, Phó Chủ tịch Honeywell, phải mất 10-13 năm và hơn 2,5 tỉ USD để đưa một liệu pháp y tế mới từ khâu nghiên cứu đến bệnh nhân. Nhưng nhờ năng lực tính toán siêu mạnh của máy tính lượng tử, nó có thể tạo ra được vaccine COVID-19 trong vài tuần.

Máy tính lượng tử cũng giúp dự báo thời tiết và cảnh báo chính xác về các hiện tượng thời tiết cực đoan. Điều đó làm tăng khả năng cứu sống và giảm thiệt hại tài sản, dự báo các hình thái thời tiết khắc nghiệt, thảm họa trong tương lai xa, giúp mọi người có phương án ứng phó kịp thời.

Chính tiềm năng ứng dụng vào dự báo thời tiết của máy tính lượng tử nên có nhiều tổ chức đổ tiền vào đầu tư nghiên cứu như văn phòng Met của Anh. Hay IBM Research gần đây hợp tác với Công ty Thời tiết, Liên hiệp Các trường Đại học Nghiên cứu Khí quyển (UCAR) và Trung tâm Nghiên cứu Khí quyển Quốc gia (NCAR) ở Mỹ để phát triển khả năng dự báo sử dụng công nghệ siêu máy tính và các đơn vị xử lý địa lý của IBM.

Mô phỏng phân tử đã là một lĩnh vực quan trọng trong sinh học và hóa học, vì nó giúp chúng ta hiểu cấu trúc của các phân tử, cách chúng tương tác với nhau và cũng giúp chúng ta khám phá các phân tử mới. Máy tính lượng tử đã phá vỡ những hạn chế trong việc mô phỏng so với máy tính cổ điển.

Còn nhiều nữa những ứng dụng của máy tính lượng tử như các lĩnh vực: dẫn đường và điều tiết giao thông, biến trí tuệ nhân tạo thông minh hơn, người máy phục vụ con người tốt hơn, mã hóa và giải mã, tuyến đường tối ưu, sân bay tốt nhất trong hàng không vũ trụ, logistics, tài chính... Đó chính là năng lực thay đổi thế giới, một chiếc đũa thần có thể giải hết các bài toán hóc búa của nhân loại. Và chính bởi năng lực thay đổi thế giới đó nên ai cũng muốn sở hữu.

CHẠY ĐUA VÀO TƯƠNG LAI

Cuộc chạy đua xây dựng các máy tính lượng tử chẳng khác nào một cuộc “chạy đua vũ trang”, ai tạo ra được một chiếc máy tính lượng tử trước, người đó sẽ nắm rất nhiều lợi thế. 

Vào năm 2019, Google đã khiến cả thế giới phải giật mình khi sử dụng công nghệ này để giải quyết một vấn đề trong 3 phút 20 giây trong khi một máy tính thông thường cần đến 10.000 năm. Với việc máy tính lượng tử thương mại đầu tiên của Nhật mới đi vào hoạt động, nhiều đối thủ trên toàn cầu đang muốn giành lợi thế bằng cách làm chủ công nghệ thế hệ tiếp theo. Theo một dự báo được công bố vào tháng 7 bởi Boston Consulting Group, công nghệ này có thể tạo ra giá trị tương đương 10 tỉ USD hằng năm vào năm 2030 và tăng lên mức 850 tỉ USD vào khoảng năm 2040.

Trong đó, phải kể đến các cường quốc như Mỹ, Nhật, một số nước châu Âu, Trung Quốc. Ngày 16/6/2021 Đức đã ra mắt máy tính lượng tử Q Systems One sử dụng 27 qubit (càng nhiều qubit, máy tính lượng tử càng mạnh) đầu tiên của nước này. Buổi ra mắt được giới thiệu bởi chính Thủ tướng Đức Angela Merkel, người có bằng hóa học lượng tử. “Chúng ta đang ở giữa một cuộc cạnh tranh khốc liệt trong việc khai thác công nghệ mang tính cách mạng và Đức muốn có tiếng nói”, bà Angela Merkel nhấn mạnh.

Nhiều công ty Đức gồm Volkswagen, Bosch và Siemens đã thành lập tập đoàn liên doanh nhằm đưa công nghệ lượng tử vào sử dụng thực tế. Trong khi đó, Goldman Sachs là một trong những tổ chức của Mỹ đang tìm cách sớm ứng dụng công nghệ lượng tử vào lĩnh vực tài chính.

Ở Nhật, công ty công nghệ Fujitsu công bố sáng kiến mới, tạo ra máy tính lượng tử 1.000 qubit trong vòng vài năm tới dựa trên công nghệ điện toán lượng tử siêu dẫn tiên tiến, dự kiến hoàn thành vào tháng 3/2025.

Những startup nghiên cứu thuật toán cũng đóng vai trò quan trọng với các dự án máy tính lượng tử. Hàng loạt công ty đang sử dụng thiết bị này, trong đó có những tên tuổi lớn nhất nước Nhật như Toyota, Hitachi và Toshiba. Ông Koichi Hagiuda, Bộ trưởng Khoa học và Công nghệ Nhật, cho biết: “Các quốc gia đã đầu tư mạnh mẽ và bắt tay vào nghiên cứu, phát triển công nghệ lượng tử quy mô lớn. Sự cạnh tranh để giành vị trí thống trị trong tương lai giữa các quốc gia và công ty đã không ngừng gia tăng”.

IBM cũng vừa tuyên bố sẽ cung cấp máy tính lượng tử 1.000 qubit vào năm 2023. Nhưng họ vẫn chưa phải là người thắng thế trong cuộc đua này. Trung Quốc có vẻ như mới là người dẫn đầu. Các nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý lý thuyết thuộc Viện Khoa học Trung Quốc đã thực hiện lại thử nghiệm 200 giây của Google và thành công trong 5 ngày. Mặc dù chậm hơn Google, nhưng họ lại có nhiều thành công ở những ứng dụng khác của máy tính lượng tử.

IBM tuyên bố sẽ cung cấp máy tính lượng tử 1.000 qubit vào năm 2023.

Theo Valuenex, Trung Quốc đang nắm giữ hơn 3.000 bằng sáng chế liên quan đến công nghệ lượng tử, nhiều gấp đôi so với Mỹ và gấp 3 lần Nhật. Tập đoàn Huawei cũng đang nắm giữ 100 bằng sáng chế về công nghệ mã hóa và truyền thông lượng tử, chỉ đứng sau Toshiba của Nhật trên bảng xếp hạng toàn cầu.

Tháng 12/2020, các nhà khoa học Trung Quốc cho biết đã chế tạo một máy tính lượng tử sử dụng công nghệ khác với công nghệ của Google. Nó được cho là có thể thực hiện một nhiệm vụ trong 200 giây, trong khi Sunway TaihuLight, siêu máy tính nhanh nhất Trung Quốc, sẽ mất 2,5 tỉ năm để hoàn thành.

Việt Nam cũng không nằm ngoài thời cuộc khi mà những siêu máy tính có thể được áp dụng cho nhiều lĩnh vực. Từ đường bay tối ưu của máy bay đến đường đi lý tưởng của robot, những bài toán bất khả thi trong chăm sóc sức khỏe, dược phẩm, tài chính... cuối cùng sẽ có lời giải. Chẳng hạn, một trong những sứ mệnh quan trọng nhất của VinAI là phát triển trí tuệ nhân tạo (A.I) cho các dòng ô tô điện thông minh tự hành sắp tới của VinFast, thương hiệu ô tô của Vingroup, nhằm hiện thực hóa mục tiêu xuất khẩu xe sang các thị trường toàn cầu.

Vingroup đang lắp đặt siêu máy tính trí tuệ nhân tạo mạnh nhất khu vực.

Để giải bài toán này, VinAI đang lắp đặt siêu máy tính A.I mạnh nhất khu vực - NVIDIA DGX SuperPOD mới. Tiến sĩ Bùi Hải Hưng, người đứng đầu VinAI, tin rằng DGX SuperPOD có thể tăng tốc gấp 10 lần để xử lý khối công việc A.I của hệ thống NVIDIA DGX A100 mà VinAI hiện đang sử dụng, cho phép các kỹ sư cập nhật mô hình của họ sau mỗi 24 giờ.

Mặc dù chưa tạo ra máy tính lượng tử nhưng Việt Nam đã có những nhà khoa học và công trình nghiên cứu chuyên sâu trong lĩnh vực này. Bởi máy tính lượng tử cũng như máy tính, ngoài phần cứng, thì cũng cần phần mềm và các lý thuyết về ứng dụng tính toán, những thuật toán. Khi các công trình nghiên cứu, tính toán mang tính khoa học được ứng dụng trong máy tính lượng tử, nó mới biến máy tính lượng tử trở nên có ý nghĩa. Giống như phần mềm biến máy tính nhị phân thành một công cụ hữu ích với nhiều ứng dụng.

Một trong số đó có thể kể đến giao thức bảo mật lượng tử mới ở mức cao có tên “Đồng viễn tạo trạng thái lượng tử” của Phó Giáo sư - Tiến sĩ Nguyễn Bá Ân, người từng nhận Giải thưởng Tạ Quang Bửu. Sau khi được mời làm Giáo sư của Viện Nghiên cứu cao cấp Hàn Quốc (KIAS), ông đã có nhiều công trình nghiên cứu được đăng trên các tạp chí khoa học hàng đầu về vật lý. Giao thức bảo mật lượng tử của ông đã được không ít tác giả trên thế giới sử dụng rộng rãi ở các phương diện khác nhau, trong máy tính lượng tử.

Hoặc như Giáo sư - Tiến sĩ Kiều Tiến Dũng, Giáo sư các trường đại học Edinburgh, Oxford, Melbourne, đồng thời cộng tác nghiên cứu với những đại học danh tiếng nhất của Mỹ như Princeton, Columbia, MIT. Ông cũng có nhiều công trình khoa học nổi tiếng trong vật lý lượng tử được ứng dụng rộng rãi. Một trong số đó là công trình nghiên cứu ứng dụng các nguyên lý của cơ học lượng tử vào khoa học tính toán, một ngành khoa học có nhiều ứng dụng rộng rãi, sử dụng cả trong máy tính lượng tử.

 Giáo sư Kiều Tiến Dũng đã khám phá ra rằng những bài toán không giải được bằng máy tính hiện nay thực ra có thể giải được bằng máy tính lượng tử nhờ sử dụng những tính chất bí ẩn của cơ học lượng tử, giải quyết được bài toán số 10 của David Hilbert và SCTM của Alan Turing. Giới khoa học đánh giá, nếu lý thuyết của Giáo sư Dũng được thực nghiệm trong tương lai sắp tới xác nhận, thì đây có thể sẽ là những thành tựu đáng kể của khoa học tính toán trong thế kỷ XXI.

Tuy nhiên, lượng tử là một lĩnh vực còn rất nhiều điều mà giới khoa học vẫn chưa nắm bắt được. Những thành tựu về máy tính lượng tử kể trên vẫn chỉ dừng ở các nghiên cứu, báo cáo khoa học và các thử nghiệm, chưa thành được sản phẩm thương mại hoàn chỉnh. Thành thử, thế giới hiện tại vẫn an toàn. Cuộc đua vẫn chưa ngã ngũ, vẫn chưa có ai thực sự sở hữu được thứ vũ khí tối thượng đó dù cho đã có một số nước đang bứt lên. Cuộc “chạy đua vũ trang” này vẫn chưa có hồi kết.