Công nghệ lượng tử (Kỳ I): ‘Chìa khóa’ của thế giới tương lai

Không ồn ào như trí tuệ nhân tạo (AI), công nghệ lượng tử đang âm thầm trở thành một trong những cuộc đua chiến lược nhất thế giới. Từ bảo mật, quốc phòng đến dược phẩm, vật liệu và năng lượng, lượng tử được kỳ vọng mở ra những năng lực mà máy tính truyền thống khó có thể đạt tới.

Sau trí tuệ nhân tạo, đây sẽ là mặt trận tiếp theo của cuộc cạnh tranh Mỹ-Trung Quốc Ngoại giao lượng tử: Cuộc chơi mới thời công nghệ cao Công nghệ lượng tử: Đấu trường mới của cạnh tranh nước lớn

10.24. Công nghệ lượng tử (Kỳ I): ‘Chìa khóa’ mở những bài toán bất khả

Mô hình thiết kế đồ họa 3D mô phỏng cấu trúc phần cứng bên trong của một máy tính lượng tử. (Nguồn: Adobe Stock)

Khi AI vẫn đang làm thay đổi cách con người làm việc, sáng tạo và tổ chức sản xuất, một cuộc đua khác âm thầm nhưng quyết liệt không kém đang tăng tốc: Công nghệ lượng tử. Không xuất hiện hằng ngày trên điện thoại hay mạng xã hội, không tạo ra hiệu ứng đại chúng tức thì như AI tạo sinh nhưng lượng tử được xem là một trong những công nghệ có thể định hình lại cán cân sức mạnh trong thế kỷ XXI.

Nếu AI là “bộ não” học từ dữ liệu, thì lượng tử giống như chiếc chìa khóa có khả năng mở ra những bài toán mà máy tính truyền thống rất khó xử lý. Đó có thể là bài toán mô phỏng phân tử để phát triển thuốc mới, thiết kế vật liệu siêu bền, tối ưu hóa chuỗi cung ứng, bảo mật thông tin, định vị chính xác, tài chính, năng lượng, khí hậu và quốc phòng.

Điều khiến lượng tử trở nên đặc biệt là nó không chỉ là một công nghệ đơn lẻ. Đằng sau đó là cả một hệ sinh thái gồm điện toán lượng tử, truyền thông lượng tử, cảm biến lượng tử, mật mã hậu lượng tử, chip lượng tử, thiết bị điều khiển, hệ thống làm lạnh, laser, vật liệu và phần mềm chuyên dụng. Vì vậy, cuộc đua lượng tử không đơn thuần là cuộc đua ai chế tạo được chiếc máy tính mạnh hơn, mà là cuộc đua ai xây được nền công nghiệp lượng tử hoàn chỉnh hơn.

Nhiều tài liệu cho thấy Mỹ và Trung Quốc đang đẩy mạnh cạnh tranh trong lĩnh vực này: Mỹ tăng tài trợ trực tiếp cho doanh nghiệp lượng tử, trong khi Trung Quốc đạt nhiều kết quả đáng chú ý trên các hướng phần cứng khác nhau như siêu dẫn, quang tử và nguyên tử trung tính. Đây là dấu hiệu cho thấy công nghệ lượng tử đã bước ra khỏi phòng thí nghiệm để trở thành một mặt trận công nghiệp và địa chính trị thực sự.

Cỗ máy mở khóa năng lực mới

Để dễ hình dung, máy tính thông thường xử lý dữ liệu theo dạng “bật hoặc tắt”, tức mỗi đơn vị thông tin chỉ có thể ở trạng thái 0 hoặc 1. Trong khi đó, máy tính lượng tử sử dụng qubit - đơn vị thông tin có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng lúc và liên kết với nhau theo những cách đặc biệt. Nhờ đó, về lý thuyết, máy tính lượng tử có thể giải quyết một số bài toán phức tạp nhanh hơn rất nhiều so với máy tính truyền thống.

Tuy nhiên, máy tính lượng tử không phải phiên bản “siêu nhanh” của laptop hay siêu máy tính hiện nay. Nó cũng sẽ không thay thế máy tính thông thường trong mọi lĩnh vực. Điểm mạnh của công nghệ lượng tử nằm ở những bài toán đặc thù có độ phức tạp cực lớn, nơi máy tính hiện tại phải mất quá nhiều thời gian hoặc tài nguyên để xử lý.

Một ví dụ điển hình là mô phỏng phân tử. Thế giới tự nhiên vận hành theo các quy luật lượng tử, trong khi máy tính truyền thống chỉ có thể mô phỏng bằng những phương pháp gần đúng. Nếu đạt đủ độ ổn định và quy mô, máy tính lượng tử có thể tái hiện các hệ vi mô theo cách tự nhiên hơn nhiều. Điều này mở ra triển vọng lớn trong phát triển thuốc, vật liệu mới, pin thế hệ tiếp theo, chất xúc tác và công nghệ năng lượng sạch.

Một hướng ứng dụng quan trọng khác là tối ưu hóa. Trong logistics, tài chính, hàng không, điện lực hay chuỗi cung ứng, nhiều bài toán có số lượng biến số và ràng buộc khổng lồ. Máy tính lượng tử được kỳ vọng có thể tìm ra phương án hiệu quả hơn trong một số trường hợp, dù công nghệ hiện nay vẫn chưa đủ trưởng thành để tạo ra tác động ở quy mô đại trà.

Ngoài điện toán, cảm biến lượng tử cũng là lĩnh vực được đặc biệt chú ý. Công nghệ này có thể đo thời gian, từ trường, trọng lực, chuyển động hay vị trí với độ chính xác rất cao. Ứng dụng tiềm năng trải rộng từ y tế, địa chất và thăm dò tài nguyên đến định vị không cần GPS, tàu ngầm và quốc phòng.

Nói cách khác, lượng tử không phải công nghệ “thay thế mọi thứ” mà là công nghệ giúp mở ra những năng lực mới ở các lĩnh vực mà máy tính và thiết bị hiện nay đang dần chạm tới giới hạn.

Máy tính thông thường xử lý dữ liệu bằng bit, tức mỗi đơn vị thông tin chỉ có thể ở trạng thái 0 hoặc 1. Trong khi đó, máy tính lượng tử sử dụng qubit. (Nguồn: Adobe Stock)

Đó cũng là lý do các quốc gia không chỉ đặt cược vào một hướng công nghệ duy nhất. Có nước theo đuổi qubit siêu dẫn, có quốc gia chọn bẫy ion, quang tử, nguyên tử trung tính hoặc spin silicon. Mỗi hướng đều có ưu điểm và hạn chế riêng: Qubit siêu dẫn phát triển nhanh nhưng đòi hỏi hệ thống làm lạnh cực phức tạp; quang tử có lợi thế về truyền dẫn và ít phụ thuộc vào làm lạnh sâu; bẫy ion đạt độ chính xác cao nhưng khó mở rộng quy mô; còn nguyên tử trung tính được chú ý nhờ khả năng sắp xếp số lượng lớn qubit bằng laser.

Vì đến nay vẫn chưa có công nghệ nào chứng minh ưu thế tuyệt đối, các cường quốc đều chọn cách đầu tư song song nhiều hướng để tránh bị bỏ lại phía sau trong cuộc đua lượng tử.

Không chỉ là khoa học

Lý do các cường quốc đổ hàng chục tỷ USD vào công nghệ lượng tử không chỉ nằm ở triển vọng kinh tế hay đột phá khoa học. Sâu xa hơn, đây đã trở thành vấn đề an ninh quốc gia và cạnh tranh quyền lực trong thế kỷ XXI.

Nhận thức này không còn dừng ở cấp độ nghiên cứu học thuật. Năm 2024, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Mỹ (NIST) công bố ba tiêu chuẩn mã hóa hậu lượng tử đầu tiên, đồng thời khuyến nghị các tổ chức bắt đầu chuyển đổi để bảo vệ dữ liệu trước nguy cơ từ máy tính lượng tử trong tương lai.

Cùng hướng tiếp cận đó, Cơ quan An ninh quốc gia Mỹ (NSA) đã yêu cầu các hệ thống an ninh quốc gia chuyển sang sử dụng các thuật toán kháng lượng tử. Điều này cho thấy lượng tử không còn là chủ đề của phòng thí nghiệm, mà đã trở thành vấn đề trực tiếp liên quan tới bảo mật nhà nước, hạ tầng trọng yếu và năng lực phòng thủ số.

Mối quan tâm lớn nhất hiện nay nằm ở lĩnh vực mật mã. Phần lớn hệ thống bảo mật hiện đại được xây dựng trên giả định rằng máy tính truyền thống không thể giải một số bài toán toán học trong thời gian hợp lý. Nhưng nếu máy tính lượng tử đủ mạnh xuất hiện, một phần các phương pháp mã hóa hiện tại có thể bị phá vỡ.

Vì vậy, nhiều quốc gia đang gấp rút chuẩn bị cho kỷ nguyên “mật mã hậu lượng tử” - tức các hệ thống bảo mật có khả năng chống lại nguy cơ từ điện toán lượng tử.

Điều đáng chú ý là rủi ro này không hoàn toàn thuộc về tương lai xa. Giới chuyên gia thường nhắc tới kịch bản “thu thập trước, giải mã sau”: Dữ liệu nhạy cảm bị đánh cắp hôm nay có thể được lưu trữ, chờ tới khi công nghệ lượng tử đủ mạnh để giải mã trong tương lai.

Điều đó khiến quá trình chuyển đổi sang các chuẩn bảo mật mới phải bắt đầu ngay từ bây giờ, đặc biệt với những dữ liệu cần bảo vệ trong nhiều năm như hồ sơ chính phủ, tài chính, quốc phòng, y tế hay sở hữu trí tuệ.

Không chỉ dừng ở bảo mật, lượng tử còn mở ra các năng lực chiến lược mới trong truyền thông và quốc phòng. Truyền thông lượng tử được kỳ vọng tạo ra các kênh liên lạc có khả năng phát hiện nghe lén, qua đó nâng cao mức độ an toàn thông tin cho các lĩnh vực nhạy cảm như quân sự, tài chính, chính phủ và hạ tầng trọng yếu.

Trong khi đó, các công nghệ cảm biến lượng tử có thể tạo ra bước nhảy lớn về định vị, radar, phát hiện tàu ngầm, dẫn đường và mô phỏng vật liệu quốc phòng. Một quốc gia đi trước trong lĩnh vực này có thể giành lợi thế chiến lược đáng kể cả về quân sự lẫn công nghệ.

Ở cấp độ kinh tế, quốc gia làm chủ công nghệ lượng tử cũng có khả năng đi trước trong nhiều ngành công nghiệp tương lai như phát triển thuốc, vật liệu mới, năng lượng, hóa chất, tài chính và trí tuệ nhân tạo. Vì vậy, lượng tử ngày càng được nhìn nhận không đơn thuần là một ngành khoa học, mà là một dạng “hạ tầng quyền lực” mới.

Nhiều tài liệu chiến lược đã chỉ ra ba lý do khiến công nghệ lượng tử trở thành lĩnh vực cạnh tranh quyết liệt giữa các cường quốc: An ninh quốc gia, năng lực công nghiệp và quyền thiết lập luật chơi công nghệ. Quốc gia hành động sớm hơn có thể giành lợi thế về tiêu chuẩn kỹ thuật, chuỗi cung ứng, bằng sáng chế, nhân lực và hệ sinh thái ứng dụng.

Lượng tử vì thế không còn là một khái niệm xa vời của vật lý lý thuyết. Công nghệ này đang chạm tới những nền tảng cốt lõi nhất của thế giới hiện đại: Dữ liệu, bảo mật, quốc phòng, vật liệu, năng lượng và năng lực tính toán. Nhưng nếu lượng tử thực sự là “chìa khóa” của tương lai, câu hỏi lớn hơn là: Ai đang nắm chiếc chìa khóa ấy? Mỹ, Trung Quốc hay châu Âu? Và họ đang xây dựng sức mạnh lượng tử bằng cách nào?

Công nghệ lượng tử (Kỳ II): Ai sẽ dẫn đầu?