Công nghệ lượng tử sẽ thay đổi tương lai thế nào? PHẦN 1: CƠ BẢN
Gần 10 năm trước, tôi có tìm hiểu về công nghệ lượng tử (quantum technology) theo yêu cầu. Do lúc đó từ "Quantum Supremacy" đang hot, IBM cũng đồng thời công bố máy tính lượng tử 20qubit và nguyên mẫu 50qubit (50qubit là con số cực kỳ quan trọng trong thế giới tính toán lượng tử, nơi các nhà khoa học cho rằng, đó là ngưỡng để máy tính lượng tử vượt siêu máy tính truyền thống).
Hôm nay, lại có yêu cầu tìm hiểu (chỉ là từ boss khác). Để không mất nhiều thời gian lặp đi lặp lại 1 việc cho quá nhiều người, như thường lệ, tôi sẽ cho vào 1 (vài) bài post để dễ share. (Giờ bạn đã biết tại sao tôi post bài trên blog rồi đó. Thường xuất phát từ một vấn đề thực tế trong công việc hay cuộc sống thật của tôi. Ngày xưa viết tào lao hơn, vì dưa hành vỏ tỏi cũng cho là vấn đề.)
Định làm 1 chuỗi Quantum cho mọi người (giống Machine Learning cho mọi người 10 năm trước), nhưng thấy giờ có một rừng AI, nên thôi. Dưới đây là tất tần tật về công nghệ lượng tử - một cách đơn giản nhất, ngắn gọn nhất, để ai đọc cũng hiểu, không cần có kiến thức chuyên sâu về nó.
Công nghệ lượng tử là gì?
Công nghệ lượng tử khai thác các nguyên lý cơ học lượng tử - cách vật chất và năng lượng hoạt động ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử - để tạo ra các thiết bị và hệ thống có khả năng vượt xa công nghệ cổ điển. Có ba trụ cột chính:
1. Tính toán lượng tử (Quantum Computing)
Thay vì dùng bit nhị phân (0 hoặc 1), máy tính lượng tử dùng qubit có thể tồn tại ở cả 0 và 1 cùng lúc nhờ hiện tượng chồng chất (superposition). Kết hợp với vướng víu lượng tử (entanglement) - hai qubit liên kết với nhau dù cách xa - máy tính lượng tử có thể xử lý hàng triệu phép tính song song.
2. Mật mã lượng tử (Quantum Cryptography)
Dùng nguyên lý lượng tử để tạo khóa mã hóa tuyệt đối an toàn. Bất kỳ ai nghe lén đều bị phát hiện ngay vì hành động đo lường sẽ làm thay đổi trạng thái hạt.
3. Cảm biến lượng tử (Quantum Sensing)
Dùng tính nhạy cảm cực cao của hạt lượng tử để đo đạc với độ chính xác vượt trội - ứng dụng trong GPS, y tế, địa vật lý.
Lịch sử phát triển của công nghệ lượng tử
Giai đoạn 1: Xây dựng nền tảng lý thuyết (1900–1927)
Bắt đầu vào năm 1900, khi Max Planck (nhà vật lý người Đức, cha đẻ của khoa học lượng tử) phát hiện năng lượng không liên tục mà tồn tại thành từng "gói" (quantum). Ông là người đầu tiên phản bác lại vật lý cổ điển, lượng tử hóa năng lượng với phương trình nổi tiếng:
Sau đó, Einstein, Bohr, Heisenberg, Schrödinger lần lượt xây dựng nền móng cơ học lượng tử.
Năm 1905, Albert Einstein đưa ra lý thuyết hiệu ứng quang điện, photon.
Năm 1913, Niels Bohr công bố mô hình nguyên tử sơ khai và mức năng lượng.
Năm 1925-1927, Werner Heisenberg đưa ra lý thuyết bất định và sáng lập cơ học lượng tử. Erwin Schrödinger đưa ra mô hình sóng cho hệ lượng tử. Cơ học lượng tử hiện đại chính thức ra đời.
Giai đoạn 2: Ứng dụng thực tế đầu tiên (1947-1980)
Cơ học lượng tử tạo ra transistor (nền tảng mọi máy tính hiện đại), rồi LASER, MRI. Đây là thời kỳ "lượng tử ứng dụng" nhưng chưa kiểm soát được từng hạt riêng lẻ.
Năm 1947, tại phòng thí nghiệm Bell Labs, Mỹ, ba nhà vật lý John Bardeen, Walter Brattain, và William Shockley đã thành công trong việc tạo ra hiệu ứng khuếch đại, đánh dấu sự ra đời của transistor tiếp điểm (point-contact transistor) đầu tiên làm từ vật liệu bán dẫn Germanium. Phát minh vĩ đại này làm thay đổi nền công nghiệp điện tử toàn cầu.
Năm 1960, nhà vật lý người Mỹ Theodore Maiman thành công tạo ra tia laser đầu tiên trên thế giới. Phát minh này đã mở ra kỷ nguyên laser, đóng vai trò nền tảng quan trọng trong vô số lĩnh vực của đời sống hiện đại như y học, viễn thông và công nghiệp.
Năm 1964, nhà vật lý John Bell đã tạo ra bất đẳng thức Bell để giải thích các hiện tượng vướng víu lượng tử (entanglement). Đây là nền tảng cho điện toán lượng tử.
Giai đoạn 3: Lượng tử kỹ thuật số ra đời (1981-2009)
Năm 1981, nhà vật lý Richard Feynman đề xuất dùng hệ lượng tử để mô phỏng hệ lượng tử khác - một ý tưởng bước ngoặt về việc tạo ra một máy tính lượng tử (do máy tính truyền thống bất khả thi trong việc mô phỏng các quy luật lượng tử). Đề xuất này mở ra kỷ nguyên điện toán lượng tử.
Giai đoạn 4: Kỷ nguyên lượng tử hiện đại (từ 2010-nay)
Trong thế hệ của chúng ta đang sống, năm 2017 có lẽ là một năm quan trọng của công nghệ lượng tử. Lĩnh vực lượng tử chính thức chuyển từ giai đoạn nghiên cứu sang giai đoạn kỹ thuật hóa và thương mại hóa.
Nổi bật nhất là IBM công bố nguyên mẫu máy tính lượng tử 50qubit, đồng thời là công ty đầu tiên cung cấp máy tính lượng tử qua cloud cho cộng đồng sử dụng. Tất nhiên chỉ có sinh viên vật lý và nhà khoa học xài.
Cuộc đua Quantum Supremacy giữa IBM và Google trở thành tâm điểm của ngành công nghệ. Một loạt hãng công nghệ lớn khác cũng tham chiến: Microsoft đầu tư mạnh vào Station Q, Intel phát triển qubit trên nền silicon, các startup như IonQ bắt đầu xuất hiện. Báo chí phỏng đoán, nếu thành công, công nghệ lượng tử sẽ thay đổi vĩnh viễn tương lai nhân loại. Nghe rất phê! Những công ty chạy sau lúc đó (có công ty tui) phải đắn đo không biết chọn cái nào: lượng tử hay AI (cuối cùng chúng tui chọn AI - vì "ít khó hơn", và gần như cả thế giới đều làm thế 😉).
Cuối năm 2017, các nhà khoa học tại MIT và Harvard trình diễn bộ mô phỏng lượng tử sử dụng 51 nguyên tử được điều khiển chính xác bằng laser.
Năm 2019, bước ngoặt xuất hiện khi Google công bố bộ xử lý lượng tử Sycamore (53 qubit) thực hiện một tác vụ lấy mẫu số ngẫu nhiên cụ thể chỉ trong 200 giây. Tác vụ này phức tạp đến mức siêu máy tính mạnh nhất thế giới lúc bấy giờ (Summit của IBM) sẽ phải mất khoảng 10.000 năm để xử lý xong.
Năm 2024, IBM cho ra mắt chip 1.000+ qubit, có thể thuê qua đám mây. Lúc này, các kỹ sư cùng nhào vô xem nó thế nào.
Cũng năm 2024, Google Willow giải bài toán 10 tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ năm chỉ trong 5 phút.
Thách thức lớn nhất vẫn tồn đọng đến hôm nay là decoherence (qubit mất trạng thái lượng tử cực nhanh, cần làm lạnh đến -273°C).
Giới báo chí Mỹ và Trung cho rằng hiện giờ chúng ta đang ở điểm bùng phát của công nghệ lượng tử. Phần cứng qubit đang cải thiện theo cấp số nhân. Các chính phủ (Mỹ, EU, Trung Quốc) đổ hàng tỉ USD đầu tư cho lượng tử. Và lần đầu tiên các công ty có thể thuê thời gian máy tính lượng tử qua đám mây (IBM Quantum, Amazon Braket), tạo điều kiện cho những người ngoài giới hàn lâm tham gia vào lĩnh vực này.
Máy tính lượng tử thương mại thực sự (fault-tolerant) dự kiến sẽ ra đời khoảng năm 2030–2035.
Các ứng dụng lượng tử hiện nay chủ yếu là: tối ưu hóa logistics, phát triển thuốc mới, và mật mã hậu lượng tử.
Kiến thức lượng tử căn bản
Dành cho ai chưa biết lượng tử: cần đọc phần này để có thể hiểu khi đọc tiếp các phần sau! Tôi sẽ cố gắng diễn đạt đơn giản nhất có thể.
Có phần này, vì thế giới lượng tử (nhỏ) khác thế giới (to) chúng ta đang sống hằng ngày.
Trước tiên cần hiểu tại sao thế giới lượng tử lại "kỳ lạ". Trong cuộc sống hàng ngày, mọi thứ tuân theo vật lý Newton. Bạn ném một quả bóng, nó bay theo đường cong có thể tính trước được. Một cái đèn hoặc đang bật hoặc đang tắt - không thể vừa bật vừa tắt cùng lúc. Nhưng ở cấp độ hạt lượng tử (electron, photon, quark...), những quy luật đó hoàn toàn sụp đổ và một bộ quy luật hoàn toàn khác xuất hiện. Đây không phải giả thuyết - đây là thực tế đã được kiểm chứng qua hàng nghìn thí nghiệm từ năm 1900 đến nay.
Có 3 hiện tượng cốt lõi bạn cần nắm
(1) Biểu diễn trạng thái
Hãy tưởng tượng tung đồng xu. Khi đang bay, nó vừa ngửa vừa sấp. Chỉ khi rơi xuống mới chọn một mặt.
Trong máy tính (truyền thống), một bit là đơn vị đo lường dữ liệu nhỏ nhất. Một bit chỉ có một trong hai trạng thái: 0 hoặc 1. Dưới dạng vật lý, một bit trong ổ cứng HDD là một chấm từ tính trên bề mặt đĩa (hướng từ trường sẽ đại diện cho giá trị 0 hoặc 1), một bit trong bộ nhớ RAM là 1 tụ điện siêu nhỏ (tích điện - 1, cạn điện - 0), một bit trên đĩa CD/DVD là 1 vết lõm (pit) ứng với 1 - không lõm ứng với 0.
Trong lượng tử, một qubit là đơn vị đo lường dữ liệu nhỏ nhất. Một qubit có thể có giá trị 0, 1 hoặc cả hai cùng một lúc (như đồng xu bên trên). Dưới dạng vật lý, một qubit là một hệ lượng tử có hai trạng thái: một hạt photon, spin của electron, hạt nhân nguyên tử, ion, hay mạch siêu dẫn. Nếu là máy tính lượng tử quang tử, một qubit là một hạt photon. Nếu là máy tính lượng tử siêu dẫn, một qubit là một hệ mạch vi mô.
(2) Vướng víu (entanglement)
Vướng víu là hai hạt có thể "biết" trạng thái nhau tức thì dù cách xa. Einstein gọi đây là "hành động ma quái từ xa" - ông hoài nghi nhưng thực nghiệm đã chứng minh là thật. Như hai chiếc găng tay của 1 đôi: bạn tách ra rồi gửi đi hai hướng, mở một cái thấy tay trái => lập tức biết cái kia là tay phải.
Hai hạt lượng tử A và B bị vướng víu. A ở Hà nội. B ở New York. Chỉ cần đo A sẽ biết trạng thái của B ngay tức thì.
(3) Chồng chất/chồng chập (superposition)
Một hạt vi mô có thể tồn tại ở nhiều trạng thái khác nhau. Như đồng xu bên trên. Chỉ khi nào đo (khi đồng xu rơi xuống đất), nó mới chọn một trạng thái duy nhất mang tính xác suất.
Ví dụ, với một electron, nếu máy đo được vị trí chính xác của electron, sẽ không đo được vận tốc của hạt đó. Nếu đo được vận tốc chính xác của hạt đó, thì không biết vị trí (chỉ biết nó đâu đó trong vùng này). Không phải do máy đo hay công nghệ, mà vì hạt không có cả hai thông tin cùng lúc. Đó là quy luật tự nhiên trong thế giới lượng tử.
Đồng xu "đã có" kết quả trước khi bạn nhìn, bạn chỉ chưa biết thôi. Còn electron thực sự không có trạng thái cố định cho đến khi bị đo. Đây là điều Einstein không chịu chấp nhận, nhưng thực nghiệm đã chứng minh ông sai.
Tại sao máy tính lượng tử tạo ra sức mạnh tính toán khổng lồ?
Với 3 bit thường, máy tính phải thử lần lượt 2^3=8 khả năng (000, 001, 010...) - 8 lượt. Với 3 qubit ở trạng thái chồng chất, máy tính lượng tử kiểm tra tất cả 8 khả năng đó cùng một lúc - 1 lượt.
Với 50 bit thường, máy tính thử 2^50 =1,1 nghìn tỷ tỷ khả năng lần lượt - 1,1 nghìn tỷ tỷ bước (máy tính thường cần hàng triệu năm, siêu máy tính mạnh nhất thế giới cũng mất vài chục ngàn năm). Với 50 qubit ở trạng thái chồng chất, máy tính lượng tử kiểm tra tất cả cùng một lúc - 1 lượt.
Với 100 bit thường, máy tính thử 2^100 (nhiều hơn số nguyên tử trong dài Ngân Hà) lượt. Với 100 qubit ở trạng thái chồng chất, máy tính lượng tử cũng chỉ mất 1 lượt. Tại đây, mọi mã RSA đang xài trong ngân hàng, an ninh, internet... trên thế giới đều bị phá hết.
Với 300 bit thường, máy tính thử 2^300 (con số thiên văn) lượt. Với 300 qubit ở trạng thái chồng chất (chỉ là lý thuyết), máy tính lượng tử cũng chỉ mất 1 lượt. Khi đó, sức mạnh của máy tính lượng tử này sẽ bằng tất cả mọi siêu máy tính trên Trái Đất gộp lại. Máy 300 qubit còn có thể kiểm tra nhiều trạng thái hơn số nguyên tử trong vũ trụ quan sát được.
Thay vì thử lần lượt như máy tính thường, máy tính lượng tử khám phá tất cả các khả năng đồng thời.
Tại sao giới mã hóa đang lo lắng?
Với sức mạnh như trên, rõ ràng chúng ta phải lo lắng. Ngày nay, mã hóa RSA đang bảo vệ mọi giao dịch ngân hàng, mật khẩu, email của bạn. Nhưng máy tính lượng tử đang gây chấn động.
Phá RSA-2048: máy tính thường mất hàng triệu tỷ năm, nhưng một máy tính lượng tử chỉ mất vài giờ đến vài ngày (trên lý thuyết).
Vì thế, một lĩnh vực mới gấp rút ra đời: mật mã hậu lượng tử (Post-quantum cryptography). Nó đang chạy đua tìm kiếm và xây dựng các thuật toán mới, các kỹ thuật phân phối khóa lượng tử (QKD) để chuẩn bị sẵn cho ngày những sức mạnh điện toán lượng tử khủng thực sự chào sân.
Đồng thời, lượng tử mở ra cánh cửa khám phá thuốc mới, vật liệu mới, AI mạnh hơn - những thứ máy tính hiện tại không thể làm được dù chạy hàng triệu năm.
Nhận xét
Đăng nhận xét