Tính toán lượng tử: Tiến độ và triển vọng

Báo cáo mới của Viện Hàn lâm Khoa học, Kỹ thuật và Y học Mỹ về tiến độ và triển vọng của tính toán lượng tử cho thấy, cần ít nhất một thập kỷ nữa thì máy tính lượng tử thực thụ mới ra đời.

 Rất khó có khả năng cho ra đời một máy tính lượng tử thực thụ trong vòng một thập kỷ tới. Nguồn: New Equipment Digest 

Báo cáo nêu chi tiết các rủi ro/lợi ích của việc phát triển các máy tính lượng tử thực thụ và xác định các số liệu để theo dõi tiến độ phát triển. Và dù cần ít nhất một thập kỷ nữa máy tính lượng tử thực thụ – loại máy tính có thể phá vỡ hệ thống mật mã hiện thời – mới ra đời thì phải phát triển và triển khai mật mã lượng tử ngay từ bây giờ. 

Theo báo cáo mới đây từ Washington của Viện Hàn lâm Khoa học, Kỹ thuật và Y học Mỹ, với tình trạng hiện thời của tính toán lượng tử và những thách thức to lớn vẫn cần phải vượt qua, trong vòng một thập kỷ tới rất khó có khả năng cho ra đời một máy tính lượng tử thực thụ – máy tính có thể thỏa hiệp với mật mã khóa công khai (cơ sở cho bảo mật của hầu hết các máy tính và mạng ngày nay). Tuy nhiên, vì việc thay thế một giao thức internet đã được thiết lập thường mất hơn một thập kỷ, nên việc phát triển và triển khai các thuật toán có khả năng chống lại các cuộc tấn công bởi các máy tính lượng tử là cực kỳ quan trọng trong giai đoạn hiện thời.

Ủy ban thực hiện nghiên cứu và viết báo cáo này được giao nhiệm vụ khám phá lĩnh vực tính toán lượng tử và làm rõ hiện trạng của vấn đề như khả năng tiến tới chế tạo được các máy tính lượng tử đa năng và các nhánh phát triển của nó.

Mặc dù việc bẻ khóa của mật mã khóa công khai bằng các máy tính thông thường tốt nhất hiện có là điều không thể, một máy tính lượng tử lại có khả năng làm việc này trong không quá vài giờ. Ngay cả khi máy tính lượng tử đủ tiên tiến chưa xuất hiện trong vòng ba mươi năm tới, báo cáo đã nhấn mạnh sự cần thiết phải bắt đầu chuyển sang các quy trình lượng tử để chuẩn bị sẵn sàng đối phó với các cuộc tấn công bởi một hệ thống như vậy, vì phải mất hơn một thập kỷ để thay thế các tiêu chuẩn mạng hiện có.

Không chỉ mô tả cách thức một máy tính lượng tử hoạt động, nêu rõ cả ưu điểm và hạn chế của loại máy tính này, báo cáo còn chỉ ra các máy tính lượng tử không thể cải thiện được tất cả các loại tính toán và đòi hỏi hoạt động của các công nghệ tính toán hiện nay, vì vậy máy tính lượng tử khó có thể thay thế tất cả các máy tính hiện tại. Thay vào đó, nhiều khả năng chúng được sử dụng như các máy gia tốc được gắn liền với các máy tính thông thường.

Khác với các máy tính thông thường, máy tính lượng tử sử dụng các đặc tính khác thường của cơ học lượng tử (hành vi phi trực giác của các hạt vi mô) để thực hiện tính toán. Tại bất kỳ thời điểm nào, máy tính lượng tử mã hóa thông tin dưới dạng các bit lượng tử (gọi tắt là qubit) do đó có thể bao trùm tất cả các trạng thái khả dĩ của một máy tính cổ điển tương đương. Khả năng tuyệt vời này của máy tính lượng tử – có thể cùng một lúc xử lý nhiều trạng thái khác nhau – lại đi kèm với một số hạn chế: các qubit cần phải tự thân liên kết với nhau (rối với nhau), tách biệt với môi trường bên ngoài, được đặt dưới sự kiểm soát rất chính xác và không bị đo trước khi kết thúc việc tính toán. Những ràng buộc này giới hạn các loại bài toán mà máy tính lượng tử có thể tăng tốc độ tính toán và, ngay cả trong những trường hợp có thể tăng tốc, vẫn phải cần thiết kế cẩn thận các thuật toán lượng tử phù hợp.

Mặc dù sự ra đời của máy tính lượng tử đa năng sẽ có tác động bất lợi lớn đến mật mã học, nhưng lại tiềm ẩn nhiều lợi ích khi theo đuổi tiến bộ trong lĩnh vực này. Các kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực này đã giúp thúc đẩy tiến bộ trong vật lý, ví dụ, trong các lĩnh vực như hấp dẫn lượng tử và trong khoa học máy tính, bằng cách tạo động lực hoặc thông báo các cải tiến trong các thuật toán cổ điển. Báo cáo cho biết, tính toán lượng tử, giống như một số lĩnh vực nghiên cứu nền tảng khác, có khả năng tăng đáng kể tốc độ tính toán trong một số ứng dụng nhất định, tạo ra sự hỗ trợ đối với cộng đồng nghiên cứu rộng lớn ở Mỹ về giá trị chiến lược.

Theo Mark Horowitz (Giáo sư sáng lập Yahoo! tại Đại học Stanford và là chủ tịch của Ủy ban Đánh giá Kỹ thuật về tính khả thi và sự ảnh hưởng của tính toán lượng tử – Committee on Technical Assessment of the Feasibility and Implications of Quantum Computing), đã có tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực tính toán lượng tử và ủy ban không thấy một lý do cơ bản nào, về mặt nguyên tắc, gây cản trở cho việc chế tạo một máy tính lượng tử chức năng lớn. Tuy nhiên, vẫn còn cần phải giải quyết nhiều thách thức về mặt kỹ thuật trước khi đạt được cột mốc này.

Báo cáo nêu rõ những thách thức lớn trước mắt trong việc xây dựng các thuật toán mới, phần mềm mới, công nghệ điều khiển mới và những khái niệm phần cứng mới. Một trong những thách thức đó là sự cần thiết phải biết sửa lỗi trong các hệ thống lượng tử, nếu không thì các chương trình lượng tử với độ phức tạp cao sẽ không thể chạy chính xác trên hệ thống. Tuy nhiên, các thuật toán này phải gánh chịu những chi phí đáng kể, vì vậy trong tương lai gần, các máy tính lượng tử chắc hẳn sẽ dễ mắc lỗi.

Một thách thức quan trọng khác đã được ủy ban chỉ ra là tuy máy tính lượng tử có thể sử dụng một số lượng nhỏ các qubit để biểu diễn một lượng dữ liệu lớn nhưng hiện nay không có một phương pháp nhanh chóng nào để chuyển một lượng dữ liệu cổ điển lớn sang một trạng thái lượng tử. Chỉ sau khi phát triển được một phương pháp mới để chuyển một lượng lớn các dữ liệu cổ điển sang máy tính lượng tử một cách hiệu quả thì máy tính lượng tử mới đáng giá, nếu không quá trình chuyển các dữ liệu lớn có thể làm giảm hoặc giảm thiểu tốc độ tính toán khi máy tính lượng tử làm việc trên một tập dữ liệu lớn.

Một trong những phát hiện chính trong báo cáo là trên thực tế vẫn còn quá sớm để có thể dự báo chính xác bao giờ thì một máy tính lượng tử thực thụ sẽ ra đời. Ủy ban đã xác định được một số cách thức để theo dõi các tiến độ ngắn hạn và dài hạn, bao gồm cả các số liệu và các mốc quan trọng. Báo cáo cũng cho thấy nghiên cứu và triển khai vào các ứng dụng thương mại thực tế của máy tính lượng tử trong tương lai gần (dự kiến sẽ là những máy tính nhỏ hơn nhiều và dễ bị lỗi hơn so với những máy tính lượng tử thực thụ có thể dùng để bẻ khóa hệ thống mật mã khóa công khai) là rất quan trọng đối với lĩnh vực này. Các kết quả của công việc này sẽ có tác động sâu sắc đến tốc độ phát triển của máy tính lượng tử quy mô lớn cũng như tác động sâu sắc đến quy mô và sức mạnh của thị trường thương mại.

Ngoài ra, các nghiên cứu hiện nay về tính toán lượng tử có hàm ý rất rõ ràng đối với an ninh quốc gia, báo cáo cho biết. Bất kỳ thực thể nào có máy tính lượng tử quy mô lớn đều có thể phá vỡ hệ thống mật mã hiện hành để chặn và đọc thông tin liên lạc hoặc đọc các dữ liệu lưu trữ. Báo cáo cho biết, nếu trong lịch sử, Mỹ đóng vai trò tiên phong trong việc phát triển công nghệ lượng tử, thì KH&CN thông tin lượng tử – một lĩnh vực toàn cầu, nhiều quốc gia khác đã thực hiện các cam kết về nguồn đầu tư lớn về kinh phí và nhân lực. Tiếp tục hỗ trợ cho lĩnh vực này là điều bắt buộc nếu Mỹ muốn duy trì vị trí lãnh đạo của mình. ¨

Nguyễn Bá Ân tổng hợp
Nguồn: http://www8.nationalacademies.org/onpinews/newsitem.aspx?RecordID=25196&_ga=2.2247 20602.191491450.1544026218-508219378.1544026218
https://www.nap.edu/catalog/25196/quantum-computing-progress-and-prospects
fbclid=IwAR10Ms7J4MTS1_3FKeXGdqQJyd3NZDFGfzYEYOYxUjbkgLi3WEH1TPzQJ0A