Kỷ nguyên mới của công nghệ lượng tử đang vẫy gọi. Ảnh: iStock / Johnason
SCMP thông tin, vào tháng 11/2021, chính phủ Mỹ đã bổ sung thêm 12 công ty Trung Quốc vào danh sách đen về xuất khẩu của mình, với lý do lo ngại về an ninh quốc gia. Lần này, các công ty điện toán lượng tử Trung Quốc cũng nằm trong số đó.
Theo Bộ Thương mại Mỹ, một số công ty được thêm vào danh sách đen này, trước đó đã hỗ trợ "các ứng dụng chống tàu ngầm và tàng hình của quân đội Trung Quốc, và khả năng phá vỡ mã hóa hoặc phát triển mã hóa không thể phá vỡ".
Đây đều là những ứng dụng có liên quan đến công nghệ lượng tử mà cả Mỹ và Trung Quốc đều đang chạy đua phát triển.
Công nghệ lượng tử này hoạt động chính xác như thế nào và nó có thực sự là một công cụ thay đổi cuộc chơi hay không?
Công nghệ lượng tử là gì?
Công nghệ lượng tử là một lĩnh vực vật lý phức tạp, chuyên khám phá hành vi của các hạt hạ nguyên tử - những hạt nhỏ hơn nguyên tử, khối cấu tạo cơ bản của mọi vật chất.
Một lĩnh vực quan tâm chính trong công nghệ lượng tử là điện toán lượng tử. Không giống như một máy tính cổ điển - thực hiện các phép tính một lúc, một máy tính lượng tử có thể thực hiện nhiều phép tính cùng một lúc.
Đơn vị cơ bản của thông tin trong máy tính cổ điển là "bit", đại diện cho một trong hai giá trị nhị phân: 0 hoặc 1. Máy tính có thể giải thích các giá trị này và biểu diễn chúng ở các định dạng khác nhau, bao gồm cả từ ngữ và hình ảnh.
Máy tính lượng tử sử dụng một đơn vị bộ nhớ cơ bản khác gọi là: Qubit, có tính linh hoạt để biểu diễn cả 0, 1 hoặc cả hai cùng một lúc.
Khả năng tồn tại của một đối tượng ở nhiều dạng cùng một lúc được gọi là chồng chất lượng tử - superposition (hay còn gọi là chồng chập lượng tử, hoặc xếp lớp lượng tử).
Mọi thứ trở nên phức tạp hơn khi nhiều qubit trong máy tính lượng tử tương tác với nhau. Đây là lúc khái niệm vướng víu lượng tử (entanglement, hoặc liên đới lượng tử) xuất hiện: Nhiều hạt trong một hệ lượng tử được kết nối và ảnh hưởng lẫn nhau.
Sự khác biệt của máy tính cổ điển (trái) và máy tính lượng tử. Ảnh: SCMP
Ví dụ, nếu một qubit đại diện cho 0, thì một qubit khác vướng vào nó sẽ nhận giá trị của 1 và ngược lại, làm cho phép đo của mỗi qubit phụ thuộc vào qubit kia.
Bởi vì các đơn vị thông tin cơ bản của máy tính lượng tử có thể đại diện cho tất cả các khả năng cùng một lúc, nên về mặt lý thuyết, chúng nhanh hơn và mạnh hơn nhiều so với các máy tính thông thường mà chúng ta quen thuộc.
Ví dụ, các nhà vật lý ở Trung Quốc gần đây đã khởi chạy một máy tính lượng tử mà họ cho rằng mất 1 phần nghìn giây để thực hiện một nhiệm vụ mà một máy tính thông thường sẽ mất 30 nghìn tỷ năm.
Thêm 1 ví dụ nữa, một máy tính lượng tử trong tương lai có thể bẻ khóa bất kỳ hệ thống bảo mật phổ biến nào hiện nay - chẳng hạn như mã hóa AES 128-bit - chỉ trong vài giây. Ngay cả siêu máy tính tốt nhất hiện nay cũng sẽ mất hàng triệu năm để làm công việc tương tự.
Nếu chúng tuyệt vời như vậy, tại sao tất cả các máy tính không phải là máy tính lượng tử?
Khi xét 'nỗi ám ảnh' của chúng ta về tốc độ trong công nghệ, bạn có thể nghĩ rằng tính toán lượng tử nên được mặc định từ bây giờ. Tuy nhiên cho đến nay, những cỗ máy này chỉ hoạt động trong môi trường được bảo vệ trong thời gian ngắn đối với các tác vụ đặc biệt cao và chúng mắc rất nhiều lỗi.
Do đó, vấn đề tranh luận giữa các nhà khoa học là liệu "ưu thế lượng tử" - ý tưởng rằng một thiết bị lượng tử có thể được lập trình để giải quyết một vấn đề mà không máy tính cổ điển nào có thể giải quyết trong bất kỳ khoảng thời gian khả thi nào - đã bao giờ đạt được hay chưa.
Một thách thức lớn đối với các nhà khoa học là làm sao để các qubit duy trì sự chồng chất lượng tử và vướng víu lượng tử đủ lâu để hoàn thành một nhiệm vụ. Các trạng thái chồng chất lượng tử và vướng víu lượng tử cực kỳ mỏng manh và nếu không có điều kiện nhiệt độ và môi trường thích hợp, chúng sẽ nhanh chóng mất đi chất lượng và hoạt động thất thường.
Để hoạt động bình thường, qubit phải được bảo quản trong tủ lạnh đặc biệt ở nhiệt độ cực thấp gần với điểm mà các nguyên tử ngừng chuyển động. Nhu cầu về thiết bị chuyên dụng là lý do chính mà chỉ những quốc gia sẵn sàng đầu tư một lượng lớn tài nguyên mới có thể nghiên cứu tính toán lượng tử.
Nhà vật lý lượng tử hàng đầu Trung Quốc Pan Jianwei ước tính rằng sẽ mất "4 đến 5 năm làm việc chăm chỉ" để sửa lỗi lượng tử cho hai máy tính lượng tử mà nhóm của ông đã phát triển, trước khi chúng có thể giải quyết các câu hỏi khoa học quan trọng có giá trị thực tiễn.
Một số ứng dụng tiềm năng của công nghệ lượng tử
Trong một bài báo xuất bản vào năm 2020, Pan Jianwei, cha đẻ của chương trình vệ tinh lượng tử của Trung Quốc, đã nêu ra 3 ứng dụng cho công nghệ lượng tử mà Trung Quốc đang cố gắng phát triển:
1/ Cảm biến lượng tử:
Ứng dụng này có thể tiết lộ một tàu ngầm ẩn hàng trăm mét dưới đại dương, hoặc các thiết bị dẫn đường có thể hoạt động độc lập trong nhiều tháng mà không cần tín hiệu GPS.
2/ Máy tính lượng tử:
Máy tính lượng tử có thể thực hiện các phép tính mà máy tính hiệu suất cao ngày nay phải trải qua hàng nghìn năm mới giải được - chẳng hạn như bẻ khóa mã hóa - chỉ trong vài giây;
3/ Internet lượng tử:
Internet lượng tử sử dụng các hạt vướng víu để truyền thông điệp, dẫn đến liên lạc siêu an toàn.
Ngoài các ứng dụng quân sự và an ninh quốc gia, nghiên cứu lượng tử có thể giúp đạt được những đột phá khoa học quan trọng.
Theo báo cáo của McKinsey năm 2021, có nhiều hy vọng rằng điện toán lượng tử có thể giúp các nhà nghiên cứu phát triển các loại thuốc mới bằng cách mô hình hóa các phân tử lớn hơn, phức tạp hơn nhanh hơn rất nhiều.
Mã hóa hiện đại được sử dụng để bảo vệ thông tin gần như không thể bị bẻ khóa đối với máy tính thông thường, nhưng máy tính lượng tử có khả năng với sức mạnh xử lý vượt trội của chúng. Ảnh: Shutterstock Images
Các nhà nghiên cứu cũng đang nghiên cứu các ứng dụng khí hậu và đề xuất rằng các mô phỏng điện toán lượng tử tốc độ cao có thể giúp các nhà khoa học tạo ra pin hoặc phân bón hiệu quả hơn, hoặc tìm cách tối ưu hóa các quy trình để giảm lượng khí thải carbon.
Khi sự quan tâm đến các ứng dụng điện toán lượng tử ngày càng tăng, những gã khổng lồ công nghệ đứng đầu R&D (Nghiên cứu & Phát triển) trên thế giới - bao gồm IBM, Google, Huawei Technologies Co. và Alibaba, công ty mẹ của South China Morning Post (SCMP) - đã cung cấp các nền tảng miễn phí để mọi người phát triển các thuật toán lượng tử.
Quốc gia dẫn đầu trong cuộc đua công nghệ lượng tử
Anh, Liên minh châu Âu (EU) và Mỹ đều đã công bố kế hoạch trong những năm gần đây để giữ vai trò dẫn đầu trong cuộc chạy đua toàn cầu về khoa học và công nghệ lượng tử.
Mặt khác, chương trình lượng tử quốc gia của Trung Quốc được giữ bí mật cho đến năm 2020, cho biết công nghệ lượng tử là ưu tiên hàng đầu, cùng với 6 lĩnh vực khoa học và công nghệ quan trọng khác trong kế hoạch phát triển 5 năm của nước này.
Vào tháng 12 năm 2021, một báo cáo của Harvard cho biết, trong lĩnh vực 'át chủ bài' là tính toán lượng tử, giao tiếp lượng tử và cảm nhận lượng tử - 3 lĩnh vực được các nhà nghiên cứu Mỹ dẫn đầu theo truyền thống - thì "Trung Quốc đang bắt kịp và trong một số trường hợp, đã vượt qua Mỹ".
Cả hai quốc gia Mỹ và Trung Quốc đã đầu tư một số tiền khổng lồ và đề ra các chính sách nghiêm ngặt liên quan đến việc nghiên cứu công nghệ lượng tử.
Pan Jianwei được coi là cha đẻ của chương trình vệ tinh lượng tử của Trung Quốc. Ảnh: Xinhua
Vào tháng 9 năm 2020, Pan Jianwei và nhóm của ông tuyên bố đã đạt được ưu thế lượng tử với một cỗ máy mới nhanh hơn 1.000.000 lần so với kỷ lục được nắm giữ bởi Sycamore - một máy tính lượng tử do Google xây dựng.
Theo báo cáo của Valuenex vào năm 2021, Trung Quốc có hơn 3.000 bằng sáng chế liên quan đến công nghệ lượng tử, gấp đôi so với Mỹ, nhưng lại tụt hậu về các bằng sáng chế dành riêng cho điện toán lượng tử.
Vì sao Mỹ lo lắng về ngành lượng tử của Trung Quốc?
Theo một báo cáo nghiên cứu của Quốc hội Mỹ, tính toán lượng tử có thể là mối đe dọa đối với các phương pháp mã hóa hiện tại vào khoảng năm 2030-2040, SCMP thông tin.
Mã hóa hiện đại được sử dụng để bảo vệ thông tin gần như không thể bị bẻ khóa đối với máy tính thông thường, nhưng máy tính lượng tử có thể làm như vậy với sức mạnh xử lý vượt trội của chúng.
Báo cáo của Quốc hội Mỹ cho biết, điều này có thể cho phép "kẻ thù tiếp cận thông tin nhạy cảm về các hoạt động tình báo hoặc quân sự của Mỹ".
Báo cáo cũng dự đoán rằng, với những cải tiến trong cả tính toán lượng tử và máy học - Machine learning (ML), một lĩnh vực con của trí tuệ nhân tạo (AI), các quốc gia có thể phát triển những vũ khí chính xác hơn và nguy hiểm hơn.
Không đâu xa, Trung Quốc đã phát triển thiết bị lượng tử với các ứng dụng quân sự tiềm năng: Năm 2021, các nhà khoa học từ Đại học Thanh Hoa (Bắc Kinh, Trung Quốc) đã phát triển một radar lượng tử có thể phát hiện máy bay tàng hình bằng cách tạo ra một cơn bão điện từ nhỏ; Năm 2017, Viện Khoa học Trung Quốc cũng đã phát triển một máy dò tàu ngầm lượng tử có thể phát hiện tàu ngầm từ rất xa.
Đó chính là lý do khiến Mỹ quan ngại về những nghiên cứu và phát triển lượng tử từ Trung Quốc. Cuộc chạy đua công nghệ cao này của 2 quốc gia sẽ còn rất dài.
Bài viết sử dụng nguồn: SCMP
