Vài năm gần đây, các thành tựu của cách mạng AI đã làm lu mờ đi một cuộc cách mạng công nghệ khác, dù mới bắt đầu nhưng có những khả năng phi thường không kém, thậm chí còn vươn xa hơn AI, đó là công nghệ lượng tử.
Tốc độ tính toán nhanh gấp hàng triệu lần siêu máy tính hiện nay
Nếu mô hình AI là một cỗ máy học, xử lý khối lượng dữ liệu khổng lồ để tìm ra câu trả lời tốt nhất, thì công nghệ lượng tử sẽ thay đổi chính nền tảng của việc xử lý thông tin.
Một ví dụ về điều này là an ninh mạng. Gần đây, mô hình AI Mythos do công ty Anthropic phát hành đã châm ngòi cho cuộc khủng hoảng an ninh mạng toàn cầu do Mythos có khả năng phát hiện và khai thác các lỗ hổng ẩn giấu trong những phần mềm điều hành hệ thống từ các ngân hàng, đến mạng an ninh quốc phòng. Nguyên tắc hoạt động của AI là xử lý một khối dữ liệu khổng lồ để tìm ra giải đáp khả dĩ nhất nên rất giỏi trong việc "tìm kim trong đống củi" và phát hiện các lỗ hổng bảo mật trong các phần mềm hệ thống.
Trái lại, một máy tính lượng tử có thể dễ dàng phá tất cả các mạng an ninh hiện hành. Nhờ các thuật toán lượng tử, máy tính lượng tử có thể đạt tốc độ tính toán nhanh gấp hàng triệu, thậm chí hàng tỷ lần so với các siêu máy tính mạnh nhất hiện nay. Do tốc độ nhanh như thế, với các khóa mật mã hiện nay vốn được thiết kế phức tạp đến mức một siêu máy tính phải mất hàng chục năm thậm chí hàng ngàn năm mới phá được thì máy tính lượng tử có thể phá tất cả, chỉ cần vài giây đến vài giờ, nhiều nhất là vài ngày.
CEO Google, Sundar Pichai và máy tính lượng tử Sycamore của Google. Ảnh tư liệu của Google, 2019.
Nói một cách hình ảnh, AI đột nhập qua bức tường an ninh bằng cách tìm ra các lỗ hổng, các điểm yếu của bức tường bảo vệ để chui qua. Nhưng nếu các lỗ hổng đó được củng cố và bảo vệ thì bức tường an ninh vẫn làm tốt chức năng của nó. Trái lại, với tốc độ tính toán siêu nhanh và với thuật toán đặc biệt, máy tính lượng tử có thể tạo ra chìa khóa để "mở" toang các ‘ổ khóa’ an ninh mạng hiện hành và không cho chúng cơ hội phòng vệ.
Đó chỉ là một trong vô số ứng dụng quan trọng cho thấy lượng tử có thể thay đổi hoàn toàn cách tiếp cận đối với nhiều bài toán khoa học, kỹ thuật và an ninh vốn được xem là bất khả thi với công nghệ hiện nay.
Ba trụ cột của công nghệ lượng tử
Tính toán lượng tử gồm máy tính lượng tử và mô phỏng lượng tử có ảnh hưởng lớn nhất, tác động đến hầu hết mọi lĩnh vực, từ việc khám phá và phát triển các loại thuốc chữa bệnh mới, vật liệu mới cho đến các hệ thống tài chính, tiền tệ mới và hệ thống an ninh. Đồng thời, tính toán lượng tử có khả năng giải quyết các bài toán kỹ thuật phức tạp mà không một phương pháp tính toán cổ điển nào, kể cả AI có thể giải được.
Viễn thông lượng tử có khả năng truyền tải thông tin lượng tử một cách bảo mật chống được mọi hình thức nghe lén - một vấn đề nan giải với các phương pháp mã hóa truyền thống cổ điển hiện nay.
Cuối cùng, cảm biến lượng tử cho phép thực hiện các phép đo với độ nhạy cao hơn hẳn so với các phương pháp cảm biến cổ điển và vì thế có nhiều ứng dụng đo nhanh và siêu chính xác, đặc biệt quan trọng cho ứng dụng quốc phòng.
Cần biết rằng, nhiều thành tựu công nghệ quan trọng nhất của thế giới hiện đại như chip bán dẫn (cho công nghệ máy tính, tin học, AI ...), laser (viễn thông quang học và vô số ứng dụng khác), vật liệu mới ... đều là thành quả từ việc hiểu biết các nguyên lý của cơ học lượng tử ra đời cách đây 100 năm, còn được gọi là cuộc cách mạng lượng tử lần thứ nhất (Quantum 1.0).
Nói cách khác, nếu không xuất phát từ "cái nôi" nghiên cứu cơ học lượng tử thì sẽ không có transistor, không có chip bán dẫn, không có máy tính cá nhân, điện thoại thông minh hay Internet như ngày nay.
Ngày nay, các nhà khoa học tin rằng cuộc cách mạng lượng tử lần thứ 2 (Quantum 2.0) dù chỉ mới bắt đầu nhưng hứa hẹn đem lại những thành quả vĩ đại hơn Quantum 1.0 rất nhiều.
Đầu tư công vào công nghệ lượng tử, theo số liệu của McKinsey năm 2024, cho thấy trên đường đua đã có nhiều nền kinh tế nhỏ như New Zealand, Thái Lan, Philippine.
Cuộc chạy đua giữa các quốc gia để nắm lợi thế tương lai
Không chỉ nhiều nhà khoa học mà nhiều chính phủ các quốc gia có nền công nghệ hàng đầu và vô số các nhà đầu tư cũng đặt kỳ vọng lớn và đầu tư rất mạnh cho công nghệ lượng tử. Theo số liệu của McKinsey thì số tiền đầu tư công của các chính phủ từ 2007 cho đến cuối 2023 cho công nghệ lượng tử đã đạt hơn 42 tỷ USD, năm 2024 đầu tư công tăng thêm 2 tỷ và 2025 tăng 10 tỷ USD. Đặc biệt, chính phủ Nhật Bản sau một thời kỳ ‘ngủ quên’, cuối năm 2025 tuyên bố sẽ đầu tư 7.4 tỷ USD, vươn lên đứng thứ 2 chỉ sau Trung Quốc với 15,3 tỷ, tiếp đến là Đức 5,2 tỷ, Anh 4,3 tỷ, Mỹ 3,8 tỷ. Mới đây chính phủ Mỹ tuyên bố đầu tư thêm 2 tỷ cho công nghệ lượng tử. Mỹ dẫn đầu về đầu tư của tư nhân với 3,45 tỷ, tiếp đến là Anh 1,6 tỷ, Canada 1,3 tỷ, EU 1,218 tỷ...
Số tiền đầu tư vào công nghệ lượng tử nói trên dù lớn nhưng vẫn còn rất nhỏ so với hàng trăm tỷ đô la đầu tư cho AI hàng năm như hiện nay, nhưng lại tương đương với đầu tư vào AI cách đây khoảng 10-15 năm, mặc dù AI có quá trình
nghiên cứu và phát triển bắt đầu từ trước đó hàng chục năm. Điều này cho thấy công nghệ lượng tử hiện nay đang ở vị trí tiềm năng tương tự AI cách đây hơn một thập niên - chưa tạo ra ảnh hưởng rộng khắp nhưng đã bắt đầu được nhiều nước xem là công nghệ chiến lược của tương lai. Việc bắt nhịp nghiên cứu từ cái gốc cơ học lượng tử sẽ giúp mang lại lợi thế sau này.
Điều gì khiến các chính phủ và tập đoàn công nghệ sẵn sàng đầu tư hàng chục tỷ USD vào một công nghệ vẫn còn đang trong giai đoạn phát triển? Câu trả lời nằm ở một bài toán khoa học tồn tại suốt gần một thế kỷ dẫn tới ý tưởng về máy tính lượng tử, đó là: làm thế nào để mô phỏng chính xác thế giới tự nhiên.
Lý giải sức mạnh lượng tử
Năm 1981 trong dịp dự lễ khánh thành một trung tâm siêu máy tính, sau khi được giải thích nguyên tắc tính toán cũng như khả năng của hệ thống siêu máy tính này, nhà vật lý lý thuyết lỗi lạc của nước Mỹ là Richard Feynman đã thốt lên, "chết tiệt, thế giới tự nhiên không tuân theo cơ học cổ điển. Nếu muốn mô phỏng tự nhiên, tốt nhất các anh nên chế tạo máy tính tuân theo cơ học lượng tử." Lúc bấy giờ, không một ai kể cả Feynman có bất kỳ một ý tưởng chính xác về một chiếc máy tính lượng tử như ngày nay, và phải hơn 15 năm sau mới có các nghiên cứu về máy tính lượng tử.
Tự nhiên vận hành theo quy luật lượng tử, còn máy tính hiện nay vận hành theo quy luật cổ điển. Nên các máy tính cổ điển, dù siêu phàm đến mấy cũng không giải được nhiều bài toán lượng tử. Nhiều bài toán đó liên quan trực tiếp đến công nghệ vật liệu và thuốc chữa bệnh mới. Chẳng hạn, muốn tạo ra pin tốt hơn, vật liệu siêu dẫn tốt hơn hay thuốc chữa bệnh hiệu quả hơn, trước hết con người phải hiểu chính xác cách các nguyên tử và electron tương tác với nhau. Sau này, người ta nhận thấy rằng máy tính lượng tử và rộng ra là tính toán lượng tử còn làm được hơn thế rất nhiều.
Trong thế giới lượng tử, với mỗi electron được thêm vào, lượng thông tin cần mô tả gần như tăng gấp đôi. Chỉ sau vài chục electron, số lượng khả năng đã trở nên khổng lồ. Ảnh: Shutterstock
Như đã nói, các đơn vị cơ bản trong tính toán của máy tính cổ điển [1] là các bit, chỉ nhận một trong hai giá trị "0" và "1", có thể hình dung giống như một công tắc có hai trạng thái bật và tắt. Trong khi đó, máy tính lượng tử sử dụng các ‘bit lượng tử’ hay qubit. Điểm đặc biệt là các qubit không nhất thiết ở trạng thái ‘0’ hoặc ‘1’ nhất định mà có thể tồn tại ở trạng thái "chồng chập" mà xác suất tìm thấy "0" và "1" đều đồng thời tồn tại. Chính điều kỳ lạ này khiến Feynman cũng phải thốt lên rằng... không ai có thể hiểu cơ học lượng tử.
Nhờ tính chất đặc biệt đó, khi số qubit tăng lên, số khả năng mà hệ thống có thể biểu diễn cũng tăng cực nhanh, theo qui luật hàm mũ 2N.Chẳng hạn, 2 qubit có thể biểu diễn 4 trạng thái, 10 qubit biểu diễn được 1.024 trạng thái, còn 50 qubit có thể biểu diễn hơn một triệu tỷ trạng thái.
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của sức mạnh lượng tử này là mô phỏng các phản ứng hóa học. Theo cơ học lượng tử, trạng thái của một hệ các hạt vi mô có thể được mô tả bằng phương trình Schrödinger (Schrödinger là tên của nhà vật lý đã lập ra và công bố nó vào năm 1925, mở đầu cho cuộc cách mạng lượng tử 1.0). Nếu phương trình Newton được xem là nền tảng để mô tả chuyển động của các vật thể trong đời sống hằng ngày thì phương trình Schrödinger đóng vai trò tương tự đối với thế giới nguyên tử và electron.
Để điều khiển một phản ứng hóa học trước hết cần biết được các mức năng lượng của hệ và tiến triển của hệ các nguyên tử tham gia quá trình phản ứng đó. Nhờ vậy, con người có thể tác động bằng chất xúc tác, nhiệt độ, áp suất, trường điện từ có tần số xác định bởi các mức năng lượng... vào quá trình phản ứng tại những thời điểm thích hợp để có thể tạo ra các vật liệu có tính chất hoàn toàn mới.
Vấn đề nằm ở chỗ số khả năng cần xem xét tăng lên rất nhanh. Hãy tưởng tượng nếu chúng ta muốn dự đoán kết quả của một trận bóng đá thì có thể chỉ cần xem xét vài đội bóng. Nhưng nếu muốn dự đoán đồng thời mọi khả năng có thể xảy ra của cả một giải đấu với hàng chục đội, số kịch bản sẽ tăng lên gấp bội. Trong thế giới lượng tử, sự bùng nổ số khả năng còn diễn ra nhanh hơn nhiều lần.
Ở đó, với mỗi electron được thêm vào, lượng thông tin cần mô tả gần như tăng gấp đôi. Chỉ sau vài chục electron, số lượng khả năng đã trở nên khổng lồ. Đó là lý do các máy tính, thậm chí cả siêu máy tính hiện nay thường không thể mô phỏng chính xác những phản ứng hóa học tương đối phức tạp vì lượng dữ liệu cần lưu trữ và xử lý quá lớn.
Trong khi đó, máy tính lượng tử sử dụng chính các hệ lượng tử để mô phỏng các hệ lượng tử nên về nguyên tắc có thể thực hiện công việc này hiệu quả hơn rất nhiều.
Một ví dụ cụ thể, nếu các nguyên tử tham gia phản ứng có 80 electron thì máy tính truyền thống cần một bộ nhớ có dung lượng là 5 x 1012 TB (terabyte) hay gấp khoảng 10 nghìn lần toàn bộ thông tin lưu trữ trong năm 2007 [2] (khoảng 50 lần năm 2024) [3] chỉ để lưu giữ các số liệu của ma trận tương tác và hàm sóng của phương trình Schrodinger nói trên.
Ước tính cho thấy với một phân tử C2H4O dù chỉ giải bằng phương pháp gần đúng NAQS phải cần một bộ nhớ 454 GB vượt xa dung lượng 80 GB của chip GPU A100 của Nvidia [4].
Giờ đây chắc hẳn bạn đọc đã hiểu vì sao ngay từ năm 1929 nhà vật lý lý thuyết lỗi lạc Paul Dirac đã chỉ ra rằng mặc dù các quy luật cơ bản của toàn bộ ngành hóa học có thể được mô tả một cách chặt chẽ bởi phương trình Schrödinger, nhưng việc giải phương trình đó là điều không thể được.
Ngày nay, với triển vọng của những chiếc máy tính lượng tử, không những toàn bộ ngành hóa học mà gần như tất cả các lĩnh vực khoa học và công nghệ khác cũng có thể sẽ được biến đổi một cách sâu sắc do những thành quả của cuộc cách mạng lượng tử 2.0.
Chưa hết, khi máy tính lượng tử kết hợp với AI như một số nghiên cứu mới công bố gần đây cho thấy chân trời khoa học và công nghệ của loài người có thể đạt tới gần như là vô tận.
Liệu chúng ta chỉ nên chờ đợi những điều kỳ diệu đó xảy ra hay nên tham gia từ bây giờ để khỏi bị chậm chân nhỡ tàu giống như đã từng xảy ra với các cuộc cách mạng điện tử, tin học trước đây và ngay cả cuộc cách mạng trí tuệ nhân tạo như hiện nay hay không?
(Còn tiếp)
---
Tài liệu xem thêm:
[1] Xem thêm trong bài "Shannon người cha của thời đại số"
[2] Review of Modern Physics, Vol. 86, No. 1, January–March 2014.
[3] Năm 2024 dữ liệu lưu trữ trên các đám mây điên tử khoảng 100 ZB (1 ZB tương đương 250 tỷ đĩa DVD).
[4] Nature Communications Vol 16, Article number 8464, 2025