Tính toán lượng tử – Thực tế hay cường điệu?

Nhưng thách thức vật lý và kỹ thuật trong việc xây dựng máy tính lượng tử còn lớn hơn nhiều so với những thách thức người ta đã gặp phải khi chế tạo máy tính điện tử hiện đại đầu tiên. Những khó khăn này còn lớn khủng khiếp hơn những gì người ta gặp phải trong Dự án Manhattan (quả bom nguyên tử đầu tiên) hay Dự án Apollo (đưa những người đầu tiên trên Mặt trăng)

 Ảnh: www.gizmocrazed.com

Khoảng 40 năm trước, ba nhà vật lý (bao gồm cả người đoạt giải Nobel Richard Feynman) và một nhà toán học, Yuri Manin đã đưa ra một khả năng trên lý thuyết của tính toán lượng tử. Ý tưởng này bắt đầu thu hút nhiều sự quan tâm hơn vào năm 1994 khi Peter Shor phát triển một thuật toán cho một máy tính lượng tử để phân tích nhanh thừa số của một số nguyên lớn hay tìm logarit trong các hệ thống hữu hạn. Một máy như vậy có thể phá vỡ cả hai loại mật mã khóa công khai được sử dụng rộng rãi nhất – RSA và ECC (“Elliptic Curve Cryptography”).

Với khả năng có ai đó có thể xây dựng thành công máy tính điện tử với một quy mô có thể đánh bại mật mã RSA và ECC, những năm gần đây, người ta đã bỏ rất nhiều công sức để phát triển các phương pháp mã hóa, chữ ký số hay khóa trao đổi có tính “an toàn lượng tử”, tức là chống lại được các cuộc tấn công lượng tử. Cơ quan Chính phủ Hoa Kỳ NIST (Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia) đã tổ chức một cuộc thi các hệ thống mật mã an toàn lượng tử tốt nhất. NIST dự kiến công bố các hệ thống đạt giải nhất vào cuối tháng này (tháng 3/2022).

Từ cuối những năm 1990, một số trung tâm nghiên cứu và công nghiệp cũng đã bỏ ra nhiều triệu đô để nỗ lực phát triển tính toán lượng tử. Nhưng tiến độ thì rất, rất chậm.

Những trở ngại xây dựng khủng khiếp

Theo các khuyến nghị hiện tại về kích thước khóa, số N sử dụng trong mã RSA phải có 2048 bit – tức là hơn 600 chữ số thập phân. Những con số như vậy quá lớn để có thể phân tích thừa số với máy tính thông thường. Và điều đó là cần thiết để mã RSA được bảo mật. Để phân tích thừa số của một con số “khủng” như vậy bằng thuật toán lượng tử của Shor chúng ta sẽ cần hai “qubit” logic cho mỗi 2048 bit N. Theo ước tính của các nhà nghiên cứu tại Microsoft thì cần phải có một chip với khoảng 6 triệu triệu (6×1012) cổng vật lý. Cần phải có số cổng khổng lồ như vậy là do một hệ thống lượng tử có độ nhiễu và độ không ổn định quá cao (hay còn gọi là “sự suy giảm lượng tử”). Do vậy cần rất nhiều tính toán lặp lại và các phân tích thống kê (còn được gọi là “giảm nhiễu”) để có được kết quả chính xác.

Toán học trong thuật toán Shor rất kì lạ và ảo diệu. Tưởng tượng ra một không gian có nhiều hơn ba chiều với chúng ta đã đủ khó. Còn không gian để thuật toán Shor tính toán thì có đến hơn 10¹²⁰⁰ chiều. Đó là con số lớn gấp hơn 10¹¹⁰⁰ lần số nguyên tử trong Vũ trụ! Nhưng với cơ học lượng tử thì điều này là hợp lý. Nếu bạn cảm thấy điều này thật khó chấp nhận thì không phải mình bạn thấy vậy. Đến Einstein ban đầu còn từ chối chấp nhận sự tồn tại của cơ học lượng tử, bất chấp kết quả thực nghiệm xác nhận lý thuyết này mà.

Nhưng thách thức vật lý và kỹ thuật trong việc xây dựng máy tính lượng tử còn lớn hơn nhiều so với những thách thức người ta đã gặp phải khi chế tạo máy tính điện tử hiện đại đầu tiên. Những khó khăn này còn lớn khủng khiếp hơn những gì người ta gặp phải trong Dự án Manhattan (quả bom nguyên tử đầu tiên) hay Dự án Apollo (đưa những người đầu tiên trên Mặt trăng). Trong trường hợp đầu, kể từ bức thư nổi tiếng của Einstein gửi Tổng thống Hoa Kỳ Roosevelt nói rằng Hoa Kỳ nên phát triển bom nguyên tử trước khi Đức Quốc xã làm, đến khi có được vụ nổ bom nguyên tử đầu tiên tại Alamogordo, New Mexico thì mất chưa đầy sáu năm. Trường hợp sau thì mất tổng cộng tám năm kể từ khi Tổng thống Hoa Kỳ Kennedy tuyên bố mục tiêu của nước Mỹ là du hành lên Mặt trăng vào năm 1970. Còn với tính toán lượng tử, đã 40 năm trôi qua kể từ khi khả năng này được đề xuất và hơn 20 năm người ta dồn bao công sức với hy vọng biến tính toán lượng tử thành hiện thực. Nhưng đến nay kết quả cuối cùng bất định hơn rất nhiều so với Dự án Manhattan và các chương trình Apollo. Trên thực tế, một số chuyên gia tin rằng sự suy giảm lượng tử là trở ngại không thể vượt qua khi xây dựng máy tính lượng tử quy mô lớn.

CEO Alphabet (sở hữu Google) Sundar Pichai từng ca ngợi bước tiến của tính toán lượng tử trên mạng xã hội. 

Tác động thực tế của máy tính lượng tử?

Có hai câu hỏi trọng tâm liên quan đến tính thực tiễn của tính toán lượng tử. Một là nó có giúp tạo ra một “ứng dụng sát thủ” nào không? Một “ứng dụng sát thủ” có nghĩa là một ứng dụng mang lại đủ giá trị thực tế để biện minh cho việc đầu tư số tiền lớn. Câu hỏi thứ hai là liệu một máy tính lượng tử quy mô lớn (có khả năng phá vỡ RSA và ECC) có thể được xây dựng trong tương lai gần hay không.

Không có “ứng dụng sát thủ” rõ ràng nào được biết đến ngày nay cả. Mật mã không phải là một “ứng dụng sát thủ” bởi vì một khi máy tính lượng tử mới sắp trở thành hiện thực thì người ta đã chuyển sang dùng các dạng mật mã an toàn lượng tử mới. Nếu vậy, máy tính lượng tử ra đời sẽ chẳng có ích gì đối với tin tặc và các cơ quan tình báo quốc gia.

Có một bài toán khó khác thường được những người ủng hộ tính toán lượng tử đưa ra như một “ứng dụng sát thủ”: “bài toán gợi ý” (recommendation problem) của lý thuyết trí tuệ nhân tạo. Ví dụ: Vợ tôi thích đọc khoa học viễn tưởng và cô ấy đăng ký gói “Kindle Unlimited” của Amazon để đọc không giới hạn số lượng sách điện tử với giá 10 USD mỗi tháng. Amazon có một thuật toán sử dụng dữ liệu về những lần đọc trước đây của cô ấy, các đánh giá về những quyển sách của cô ấy trước đây hay của độc giả khác để đưa ra gợi ý khá chính xác những tác giả và cuốn sách mà cô ấy sẽ thích. Các thuật toán gợi ý có nhiều ứng dụng thương mại. Năm 2009, Công ty Netflix đã trao giải thưởng 1 triệu USD cho nhóm nào có thể phát triển một thuật toán cải thiện 10% thuật toán hiện có của họ.

Trong một thời gian, người ta cho rằng thuật toán lượng tử có thể tăng tốc các hệ thống gợi ý như vậy. Nhưng vào năm 2018 một sinh viên xuất sắc 18 tuổi từ Đại học Texas tên là Ewin Tang đã tìm ra một thuật toán phi lượng tử hoạt động tốt như thuật toán lượng tử cho vấn đề này.

Nên mặc dù không thấy “ứng dụng sát thủ” nào thì những người ủng hộ tính toán lượng tử vẫn đưa ra những tuyên bố phóng đại quá mức về các ứng dụng trong tương lai của nó. Các nhà khoa học muốn có tài trợ dư dả của tập đoàn thường phải đề cao tiềm năng của máy tính lượng tử đến tận mây xanh. Ngoài ra trong nền kinh tế tiêu dùng-tư bản, “cường điệu hóa” (quảng cáo và phóng đại quá lớn) là ứng xử thông thường của các doanh nghiệp khi tiếp xúc với báo chí và công chúng.
Nhưng ngay cả xem xét một cách nghiêm túc các xu hướng được kì vọng đang bị cường điệu hóa thì các tuyên bố được đưa ra cho điện toán lượng tử vẫn là thái quá:

IBM: “Một ngày nào đó, máy tính lượng tử có thể đem đến những đột phá trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cả những phát hiện về vật liệu mới và thuốc mới, tối ưu hóa các hệ thống phức tạp và trí tuệ nhân tạo”.

Microsoft: “Tính toán lượng tử có một bước tiến nhảy vọt … và sẽ thay đổi mãi mãi nền kinh tế, công nghiệp, học thuật và xã hội của chúng ta. Điều này có ý nghĩa to lớn đối với nghiên cứu về chăm sóc sức khỏe, năng lượng, hệ thống môi trường, vật liệu thông minh, v.v”.

Trái ngược với những tuyên bố phóng đại một cách nực cười từ IBM và Microsoft, một báo cáo quan trọng năm 2018 của Viện Khoa học, Kỹ thuật và Y học Quốc gia Hoa Kỳ đã kết luận, trong thời gian tới việc xây dựng một máy tính lượng tử “nhiễu”, loại máy không đưa ra những đáp án chính xác tương đối tin cậy còn có vẻ khả thi hơn là tạo ra một máy tính lượng tử hoàn thiện có khả năng sửa nhiễu. Họ đã cảnh báo, trừ khi có một “ứng dụng sát thủ” tận dụng chính sự “nhiễu” lượng tử, nếu không khối tư nhân sẽ không còn hứng thú tài trợ cho tính toán lượng tử nữa. Họ khuyến nghị, nếu các công ty tư nhân ngừng tài trợ cho hoạt động đó thì chính phủ Hoa Kỳ nên hỗ trợ nghiên cứu tính toán lượng tử giống như cách họ tài trợ cho vật lý hạt, toán học cơ bản và các lĩnh vực khác không có khả năng mang lại lợi ích ứng dụng thực tiễn trong tương lai gần.

Khi chiếc máy tính đầu tiên ra đời cách đây gần 70 năm, không ai ngờ được máy tính sẽ giảm kích thước nhỏ gọn như lòng bàn tay, ai cũng có thể sở hữu và thay đổi cuộc sống hằng ngày của tất cả mọi người.

Vào năm 2015, một dự đoán phổ biến của những người quảng bá máy tính lượng tử là có 50% khả năng con người sẽ chế tạo được một máy tính lượng tử quy mô lớn có thể tự sửa nhiễu vào năm 2030. Nó sẽ có giá hơn một tỷ USD và cần riêng một nhà máy điện hạt nhân cung cấp năng lượng. Nhiều người cho rằng điều này là lạc quan quá mức, nếu nói là có thể giữa thế kỷ 21 hoặc thế kỷ 22 – hoặc không bao giờ – có khi còn là dự đoán thực tế hơn.

Chúng ta dự đoán tương lai tốt đến mức nào?

Người ta thường cho rằng thay đổi công nghệ diễn ra nhanh hơn dự kiến. Máy tính đã thay đổi cuộc sống của chúng ta nhiều hơn mọi dự đoán trong những ngày đầu của công nghệ máy tính cách đây 60 hoặc 70 năm. Sau đó không ai dự đoán được sự thu nhỏ của máy tính giúp cho bất kỳ người bình thường nào cũng có thể sở hữu chúng, e-mail (thay thế viết thư tay), mạng Internet hoặc mạng xã hội. Giờ đây trong thế kỷ 21 khi thảo luận về một công nghệ mới chúng ta tự nhiên có xu hướng nghĩ rằng nó sẽ phát triển nhanh chóng và bất kỳ cá nhân hoặc công ty có tầm nhìn xa đều nên đầu tư vào công nghệ mới, ví dụ tiền mã hóa, NFT hoặc tính toán lượng tử. Tuy nhiên nếu suy nghĩ cẩn trọng hơn về lịch sử của 60 hoặc 70 năm qua, chúng ta thấy rằng công nghệ đôi khi tiến triển chậm hơn nhiều so với dự đoán.
Các nhà khoa học viễn tưởng dành cả đời để tưởng tượng thế giới trong tương lai, bởi vậy họ không thua kém gì ai trong việc dự đoán các xu hướng trong tương lai. Quay trở lại những năm 1950 và 1960, họ đã dự đoán điều gì? Hãy so sánh những dự đoán của họ cho cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 với những gì đã thực sự xảy ra.

Khám phá liên hành tinh. Dự đoán: Vào năm 2000 chúng ta sẽ có các thuộc địa trên Mặt trăng và sao Hỏa, thậm chí trên cả một số mặt trăng của sao Mộc và sao Thổ, hoặc có thể khai khoáng trên các tiểu hành tinh. Thực tế: Từ ngày 12/12/1968 và năm 1972, 24 con người đã mạo hiểm vượt qua quỹ đạo Trái đất, tất cả đều thông qua Dự án Apollo. Mười hai người đi bộ trên Mặt trăng và mười hai người bay gần Mặt trăng. Trong 50 năm sau đó, không có con người nào đi xa hơn quỹ đạo Trái đất. Trong sáu thập kỷ kể từ khi Yuri Gagarin bay vòng quanh Trái đất, khoảnh khắc thú vị nhất trong hành trình khám phá không gian của con người xảy ra vào năm 1969 khi con người đầu tiên đặt chân lên Mặt trăng.

Máy bay chở khách siêu thanh. Dự đoán: Đến năm 2000 mọi người sẽ đi du lịch giữa Bắc Mỹ và châu Âu bằng máy bay siêu thanh. Thực tế: Du lịch hàng không chở khách siêu thanh (“Concorde” của Pháp/Anh) bắt đầu từ năm 1976 và kết thúc năm 2003 (và chỉ dành cho một số ít hành khách giàu có). Hóa ra nó không an toàn cũng như không hiệu quả về mặt kinh tế. Bạn có thể nhớ lại vụ tai nạn thảm khốc của một chiếc Concorde ở Paris vào ngày 25/7/2000.

Điện hạt nhân. Dự đoán: Đến năm 2000, lò phản ứng hạt nhân sẽ được thu nhỏ và sản xuất không tốn kém. Chúng ta sẽ có ô tô, lò nướng và thậm chí cả đồng hồ chạy bằng năng lượng hạt nhân. Thực tế: Trong nửa thế kỷ qua, không có sự tiến bộ đáng kể nào về công nghệ hạt nhân, và việc sử dụng điện hạt nhân cùng với các nguồn năng lượng khác không có tác động gì mới với cuộc sống hằng ngày.

Tương lai của máy tính lượng tử

Liệu máy tính lượng tử có tiến bộ nhanh như cách máy tính cổ điển đã làm không? Hay nó sẽ giống như du lịch liên hành tinh và ô tô chạy bằng năng lượng hạt nhân – đây có thể là một chủ đề hay ho cho khoa học viễn tưởng nhưng sẽ không sớm trở thành hiện thực?

Hai máy bay siêu thanh Concorde và Tu-144 được trưng bày tại bảo tàng Sinsheim Auto & Technik, Đức. Ảnh: Marcin Wichary.

Trong những năm đầu thảo luận về tính toán lượng tử, tiêu chí để đánh giá sự tiến triển được mọi người chấp nhận là số lớn nhất mà thuật toán của Shors có thể phân tích thừa số là bao nhiêu. Sau nhiều năm và những khoản tiền khổng lồ, tiến bộ hướng đến phá vỡ mã RSA là những người tính toán lượng tử có thể tìm thừa số cho số 21 = 3 × 7. Năm 2019, một nỗ lực đã được thực hiện với số 35 = 5 × 7, nhưng không thành công vì sự suy giảm lượng tử. (Dẫu sao người ta đã phân tích được thừa số của những số lớn hơn bằng các phương pháp lượng tử nhưng không dùng thuật toán của Shor mà bằng các phương pháp không thể mở rộng quy mô ra cho các số nguyên thực sự lớn.) Không ngạc nhiên khi những người ủng hộ mật mã lượng tử đã lái qua các “tiêu chuẩn đánh giá” khác liên quan đến các chi tiết kỹ thuật. Trong những năm gần đây, họ thường tránh nói về sự tiến bộ được đo bởi việc tìm thừa số.

Chúng ta sẽ cần các hệ thống mật mã mới?

Nếu có một khả năng nhỏ là một máy tính lượng tử quy mô lớn sẽ được chế tạo trong vòng 20 hoặc 30 năm nữa, chúng ta phải lo lắng về tính bảo mật dùng mật mã khóa công khai (RSA hoặc ECC).

Hầu hết các bí mật không cần phải giữ kín quá lâu. Chữ ký khóa công khai chỉ cần được bảo vệ trong một thời gian tương đối ngắn. Hầu hết các bí mật an ninh quốc gia cần giữ bí mật lâu dài được bảo vệ bằng mật mã khóa riêng, không phải RSA hoặc ECC. Các thuật toán mật mã khóa riêng phổ biến hiện nay như “Thuật toán băm an toàn” SHA256 và “Tiêu chuẩn mã hóa nâng cao” AES256 có biên độ an toàn rất lớn, và được cho là an toàn trước bất kỳ cuộc tấn công lượng tử nào mà theo hiểu biết của chúng tôi, có khi không nhanh hơn đáng kể so với các cuộc tấn công phi lượng tử. Đối với các cuộc tấn công vào SHA và AES, các thuật toán cổ điển có một số lợi thế lớn như chúng có thể chạy đồng thời và có thể sử dụng ASIC (Mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng). Máy tính lượng tử không thể làm được bất kì điều gì trong hai khả năng trên.

Phần kết luận

Đối với các nhà nghiên cứu thì việc thiết kế máy tính lượng tử và xây dựng các mật mã an toàn lượng tử có mang lại chủ đề nghiên cứu toán học, vật lý, khoa học máy tính và kỹ thuật – đồng nghĩa với nguồn việc dồi dào cho các tiến sĩ trẻ. Đó là dự đoán mà chúng tôi có thể tự tin đưa ra. Nhưng sẽ có một tác động trong thế giới thực? Điều đó còn quá sớm để biết. □

Nguyễn Quang dịch
—
Tác giả: GS Đại học Washington, Seattle