Để hiểu vì sao một số quốc gia tiềm lực KH&CN mạnh đang đầu tư nguồn lực lớn lao cho tính toán lượng tử (Quantum Computing - QC), chúng ta nên bắt đầu từ những bài toán mà nó có thể giải quyết.
Trong số đó, có những bài toán liên quan trực tiếp đến an ninh quốc gia và an ninh toàn cầu. Chẳng hạn, máy tính lượng tử có khả năng phá vỡ các hệ thống mật mã đang bảo vệ ngân hàng, cơ sở hạ tầng số và nhiều mạng lưới quốc phòng trên toàn thế giới.
An ninh tài chính và quốc phòng: thách thức mật mã hiện đại
Một đặc tính siêu việt của máy tính lượng tử so với máy tính cổ điển là chúng có thể phá các phương thức mật mã nền tảng bảo mật của các hệ thống an ninh, ngân hàng, thương mại điện tử hiện nay vốn dựa trên thuật toán RSA.
Thuật toán RSA rất phức tạp này dựa vào một nguyên tắc dễ hiểu: phép nhân của hai số nguyên tố dù rất lớn vẫn có thể dễ dàng thực hiện, trong khi phép tính ngược lại để tìm hai số đó từ tích của chúng thì vô cùng khó. Chẳng hạn, một học sinh tiểu học cũng có thể thực hiện phép nhân của hai số nguyên tố 389 x 431 = 167659 nhưng một sinh viên đại học (ngoài ngành toán) dù được sử dụng máy tính cũng có thể loay hoay thậm chí không giải được bài toán ngược lại là tìm hai số nguyên tố mà tích số của chúng bằng 167659.
Trong ví dụ này, tích số 167659 chỉ chứa 6 con số, trong khi hiện nay nhiều hệ thống bảo mật quan trọng trên thế giới sử dụng khóa RSA có tới hàng trăm chữ số và rất khó để tính ngược lại. Chẳng hạn, nếu tích số có 174 chữ số thì với một siêu máy tính cực mạnh thời gian "bẻ khóa" để tìm ra hai thừa số nguyên tố mất 43 ngày, và nếu chứa 617 chữ số (theo ngôn ngữ của khoa học tính toán là mã khóa RSA có 2.048 bit) thì phải mất hơn 300 nghìn năm. Đưa ra những ví dụ như vậy để chúng ta hình dung việc phá mã khóa RSA với những số lớn là bất khả thi với bất kỳ máy tính cổ điển nào.
Peter Shor chứng minh rằng thuật toán lượng tử có thể phá vỡ các mật mã RSA đang bảo vệ các hệ thống trọng yếu, từ ngân hàng cho tới an ninh quốc phòng.
Nhưng năm 1994, Peter Shor, một nhà toán ứng dụng làm việc tại Bell Labs (hiện là giáo sư toán của MIT), đã xây dựng một thuật toán lượng tử và chứng minh rằng thuật toán này có thể phá vỡ các mật mã RSA với 2.048 bit chỉ trong vài chục ngày. Gần đây, các nhà toán học của MIT đã ước tính rằng nếu sử dụng 20 triệu qubit thì chỉ mất 8 giờ. Một nghiên cứu mới từ các nhà nghiên cứu tại Google Quantum AI cho thấy khóa mã hóa RSA 2048-bit có thể bị bẻ khóa trong chưa đầy một tuần bằng máy tính lượng tử sử dụng ít hơn một triệu qubit dù vẫn còn bị nhiễu [1].
Lưu ý rằng, máy tính lượng tử và các thuật toán lượng tử dựa trên các qubit (quantum bit). Khác với bit cổ điển, một qubit có thể tồn tại ở "trạng thái chồng chập" đồng thời mang đặc tính của cả hai trạng thái. Nhờ đó, khi số lượng qubit tăng lên, khả năng biểu diễn và xử lý thông tin của hệ lượng tử tăng rất nhanh, cho phép giải quyết một số bài toán mà máy tính cổ điển hoàn toàn bất lực. Đặc biệt hơn cả, thuật toán lượng tử của Peter Shor cho phép máy tính lượng tử tìm ra hai số nguyên tố từ tích số của chúng một cách siêu nhanh.
Về mặt lý thuyết, QC có thể phá toàn bộ hệ thống mật mã của tất cả ngân hàng và cơ quan tài chính cũng như hồ sơ an ninh quốc phòng của mọi quốc gia. Ngoài ra, các nhà khoa học của Google cho rằng các đồng tiền ảo với giá trị cả ngàn tỷ USD cũng có thể bị uy hiếp [2].
May mắn thay, về mặt thực nghiệm, một chiếc máy tính như vậy có thể mất cả chục năm nữa mới có thể ra đời. Và đó là lý do không chỉ ngân hàng và cơ quan tài chính mà chính phủ nhiều quốc gia đã đầu tư số tiền khổng lồ vào nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử. Nắm được tính toán lượng tử không chỉ chống lại được "hacker lượng tử" mà còn giúp phát triển các hệ thống an ninh mới, kể cả các hệ thống tiền tệ mới.
Mật mã không chỉ để phòng thủ mà còn để tấn công
Một ví dụ cụ thể về việc làm chủ được công nghệ mật mã không những bảo vệ chính mình mà còn có thể sử dụng như một thứ vũ khí nguy hiểm. Đó là câu chuyện phe Đồng minh hồi Thế chiến II do phá được mật mã của Đức Quốc xã đã xoay chuyển cục diện trên chiến trường. Lúc bấy giờ, Bộ Tư lệnh quân đội Đức dùng những chiếc máy Enigma để mã hóa các bản mật lệnh và gửi tới các đơn vị ở khắp nơi trên mặt trận mà không sợ bị lộ vì năng lực mã hóa của máy Enigma là rất siêu việt vào thời ấy, khiến thông thường phe Đồng minh mất hàng tháng mới giải mã được. Tại bộ chỉ huy của các đơn vị quân Đức ngoài mặt trận, các bản mật lệnh được giải mã trong chớp mắt cũng chính bằng chiếc máy Enigma này.
Nhờ vậy, quân Đức có những chiến dịch tấn công bất ngờ với sự tham gia của nhiều quân đoàn khiến phe Đồng minh chịu nhiều thất bại và thiệt hại hết sức nặng nề. Chỉ mãi sau khi chế tạo được những chiếc máy tính điện tử đầu tiên và sử dụng chúng để phá giải mật mã, phe Đồng minh mới nắm được kế hoạch và đối phó kịp thời, khiến quân đội Đức quốc xã bị bất ngờ, trở tay không kịp và liên tiếp thất bại trong nhiều chiến dịch có tính quyết định. Vì vậy, không ít nhà sử học chiến tranh coi việc phá giải mật mã hồi đó đóng vai trò quyết định làm thay đổi cục diện Thế Chiến thứ II [3].
Tiềm năng của tính toán lượng tử không chỉ nằm ở khả năng phá mã hay bảo vệ hệ thống thông tin mà còn ở khả năng mô phỏng những hiện tượng tự nhiên mà máy tính cổ điển gần như bất lực. Chính điều đó mở ra triển vọng giải quyết những bài toán có ảnh hưởng tới tương lai của nhân loại, từ an ninh lương thực đến an ninh năng lượng.
An ninh lương thực: bài toán phân đạm
Ước tính sẽ có hơn 2 tỷ người sẽ thiếu đói trầm trọng nếu khoảng 120 triệu tấn phân đạm không được sản xuất hàng năm. Tuy nhiên, để sản xuất lượng phân đạm này cần tiêu thụ năng lượng tính ra hàng trăm tỷ đô la và thải ra khoảng 1.31 gigatons (tỷ tấn) lượng khí CO2 hằng năm, bằng toàn bộ lượng khí thải của cả ngành hàng không và vận tải hàng hóa (shipping) toàn cầu cộng lại.
Việc sản xuất phân đạm từ trước đến nay được tiến hành theo quy trình Haber-Bosch, do nhà hóa học Fritz Haber tìm ra (giải Nobel Hóa học năm 1918 cho phát minh này), và được Bosch (giải Nobel Hóa học năm 1931) biến thành quy trình sản xuất phân đạm có hiệu suất cao. Theo đó, phản ứng hóa học tạo ra phân đạm N2 + 3H2 → 2NH3 cần phải xảy ra ở nhiệt độ cao, từ 400 đến 500 độ C với một áp suất cao gấp 200 lần áp suất không khí bình thường (200 atm), và đó là lý do cần phải sử dụng một năng lượng rất lớn để sản xuất phân đạm.
Trong tự nhiên có một quá trình khác có thể tạo ra phân đạm trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường nhưng lại chỉ có hiệu suất rất thấp và cần một thời gian dài. Các nhà khoa học tin rằng nếu hiểu được quá trình phản ứng tự nhiên này có thể sản xuất phân đạm với mức năng lượng thấp hơn nhiều theo quy trình Harber-Bosch.
Tuy nhiên, số electron của các nguyên tử tham gia phản ứng dù chỉ có 16 đã khiến việc giải chính xác bài toán nằm ngoài khả năng của bất kỳ một siêu máy tính cổ điển nào, bởi số trạng thái lượng tử của cả hệ các nguyên tử có thể lên tới hàng tỷ khả năng. Trong khi đó, ước tính rằng một máy mô phỏng lượng tử chỉ quy mô khiêm tốn là có thể giải được bài toán này [4].
Phản ứng nhiệt hạch giống như là quá trình tạo ra năng lượng cho Mặt Trời. Nguồn: NASA/Wikimedia Commons.
An ninh năng lượng: giấc mơ nhiệt hạch
Một bài toán quan trọng khác là điều khiển phản ứng nhiệt hạch liên quan đến vấn đề an ninh năng lượng và thay đổi khí hậu toàn cầu. Kể từ những năm 1930 khi phản ứng nhiệt hạch được hiểu rõ về mặt lý thuyết, các nhà khoa học đã nỗ lực tìm cách điều khiển phản ứng này nhằm khai thác nguồn năng lượng khổng lồ theo phương trình biến đổi khối lượng và năng lượng của Einstein E = mc2. Đây cũng chính là nguồn năng lượng "nuôi" Mặt Trời, nơi các hạt nhân hydro hợp nhất thành heli và giải phóng năng lượng. Nếu phản ứng nhiệt hạch có được thực hiện ở quy mô công nghiệp, nó sẽ cung cấp nguồn năng lượng sạch, an toàn và giá cả phải chăng, gần như vô tận.
Ngày 5 tháng 12 năm 2022, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) của Mỹ đã đạt được một cột mốc quan trọng: lần đầu tiên sử dụng các chùm tia laser có công suất cực mạnh để "kích hoạt" phản ứng nhiệt hạch có điều khiển.
Trong thí nghiệm này, 192 chùm tia laser cực tím được chiếu hội tụ vào một vật có hình viên thuốc nhỏ cỡ hạt tiêu, bên trong chứa hỗn hợp deuterium và tritium - hai đồng vị của nguyên tử hydro. Năng lượng của các tia laser này khiến các nguyên tử va chạm với tốc độ khoảng 400 km/giây. Chỉ trong khoảng thời gian tính bằng phần tỷ giây, một số đồng vị hydro đã hợp nhất thành các nguyên tử heli và giải phóng nhiệt lượng thúc đẩy các va chạm khác - khiến khoảng 4% tổng lượng hydro tham gia phản ứng, và đó là lần đầu tiên kích hoạt phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát.
Các thiết bị tạo ra những chùm laser công suất cực mạnh trong phòng thí nghiệm Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Nguồn: LLNL, CC BY-SA
Thí nghiệm này khẳng định khả năng điều khiển phản ứng nhiệt hạch, tuy vậy đây mới chỉ là một bước tiến nhỏ trên chặng đường dài và còn nhiều khó khăn chưa giải quyết được, và vai trò máy tính lượng tử có thể đóng vai trò thiết yếu cho sự thành bại của chương trình.
Một trong những thách thức lớn nhất để thiết kế tối ưu thí nghiệm là mô phỏng trạng thái plasma – môi trường nơi phản ứng nhiệt hạch diễn ra. Nhóm nghiên cứu đã phải sử dụng các hệ thống siêu máy tính với hơn 300 ngàn bộ xử lý CPU của Bộ năng lượng Mỹ với hàng trăm triệu, thậm chí hàng tỷ giờ CPU tính toán [5], chỉ để tính một đại lượng gọi là stopping power (SP) hay công suất hãm của phản ứng. Để tìm ra điều kiện tối ưu của phản ứng không chỉ cần SP mà còn nhiều đại lượng khác nữa. Trong khi đó mỗi một lần tiến hành thí nghiệm lại hết sức tốn kém và mất nhiều thời gian chuẩn bị. Tình trạng này làm chậm trễ dự án một cách đáng kể.
Năm 2024 [6], TS Babbush hiện là Giám đốc nghiên cứu và là Principal Scientist về Quantum và AI của Google, cùng với các nhà nghiên cứu của đại học Harvard, Phòng Thí nghiệm Quốc gia Sandia, cùng với hai công ty mô phỏng lượng tử ... đã phác thảo một thuật toán mà máy tính lượng tử có thể sử dụng để mô phỏng phản ứng nhiệt hạch với toàn bộ độ phức tạp của nó. Quy trình này hiện vẫn vượt quá khả năng của các hệ thống ngày nay. Nhưng các tác giả đã chứng minh rằng những cải tiến về phần cứng và thuật toán trong tương lai có thể thu hẹp khoảng cách này trong tương lai không xa.
Những đột phá ban đầu nói trên, dù chỉ mới chứng tỏ khả năng điều khiển phản ứng nhiệt hạch, đã thúc đẩy hình thành một hệ sinh thái công nghiệp mới. Nói nôm na là ‘phản ứng kích hoạt’ nói trên đã có tác dụng thực tế. Hiện nay, đã xuất hiện hơn 50 công ty khởi nghiệp về năng lượng nhiệt hạch không chỉ ở Mỹ, Châu Âu mà còn ở Nhật, Trung Quốc, thu hút đầu tư hơn 7 tỷ USD và ngày càng thu hút được sự chú ý không chỉ của các nhà đầu tư mà cả của các chính phủ.
Từ an ninh tài chính, quốc phòng đến lương thực và năng lượng, những ví dụ trên cho thấy tính toán lượng tử, và nền tảng của nó là cơ học lượng tử, có thể mở ra hướng tiếp cận mới cho các bài toán mà máy tính cổ điển gặp giới hạn căn bản. Trong các phần tiếp theo, chúng ta sẽ thấy cơ học lượng tử đang từng bước đi ra khỏi phòng thí nghiệm và tiến gần hơn tới đời sống hàng ngày.
---
Tài liệu tham khảo:
[1] C. Gidney "How to factor 2048 bit RSA integers with less than a million noisy qubits", https://arxiv.org/html/2505.15917v1
[2] https://research.google/blog/safeguarding-cryptocurrency-by-disclosing-quantum-vulnerabilities-responsibly/
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Enigma_machine
[4] Jarrod R. McClean, QUANTUM COMPUTATION FOR THE DISCOVERY OF NEW MATERIALS AND CHEMISTRY, Lawrence Berkeley National Laboratory (presentation 2017).
[5] Bộ Năng lượng Mỹ quản lý phòng thí nghiệm quốc gia về năng lượng nguyên tử gồm hệ thống siêu máy tính Frontier công suất và tốc độ tính toán nhanh và mạnh nhất thế giới (xem "Khi Con Chip Lên Ngôi – NXB Nhã nam, 2025).
[6] Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2024 Vol. 121. No. 3, e2317772121