Máy tính lượng tử: Bước ngoặt mới, định hình tương lai nhân loại

Tạo ra các loại thuốc dược phẩm đột phá, thử nghiệm vật liệu mới cho ô tô, hay mô phỏng các kịch bản thị trường để dự đoán tác động với hệ thống ngân hàng — tất cả đều là những nhiệm vụ có thể mất hàng tháng, thậm chí hàng năm để hoàn thành, ngay cả với những siêu máy tính tiên tiến nhất hiện nay.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu khoảng thời gian đó được rút ngắn xuống chỉ còn vài phút hoặc vài giờ?

Đó chính là lời hứa của máy tính lượng tử (quantum computing) - lĩnh vực được nghiên cứu suốt nhiều thập kỷ và hiện đang thu hút sự quan tâm mạnh mẽ cũng như các khoản đầu tư khổng lồ từ những “ông lớn” công nghệ lẫn các startup đầy tham vọng.

Kỷ nguyên mới của sức mạnh tính toán

Vừa qua, IBM đã công bố bộ xử lý thử nghiệm Loon và chip lượng tử Nighthawk mới, có khả năng thực hiện các phép tính phức tạp hơn nhiều so với thế hệ trước. Trong hai năm gần đây, hàng loạt công ty như Google và Microsoft cũng đã đưa ra những tuyên bố đáng chú ý về tiến trình phát triển công nghệ lượng tử.

Theo ước tính của McKinsey & Company, máy tính lượng tử có thể tạo ra giá trị gia tăng lên đến 1,3 nghìn tỷ USD trong nhiều lĩnh vực khác nhau vào năm 2035. Điều đó không phải không có cơ sở, bởi các chuyên gia tin rằng công nghệ này có thể tạo ra bước ngoặt trong mật mã học, tài chính, khoa học và giao thông, đồng thời giúp giải quyết những vấn đề mà máy tính truyền thống phải mất hàng nghìn năm chỉ trong vài phút hoặc vài giờ.

Tuy nhiên, con đường phía trước vẫn còn rất dài. Việc “giải mã” máy tính lượng tử không đơn thuần là nâng cấp máy tính hiện có, mà là một cách tiếp cận hoàn toàn khác, dựa trên nguyên lý vật lý lượng tử.

Như giáo sư Sridhar Tayur của Đại học Carnegie Mellon ví von: “Máy bay chiến đấu không phải là một chiếc Ferrari nhanh hơn chỉ vì nó có cánh. Máy tính lượng tử cũng vậy, nó không chỉ là một máy tính cổ điển nhanh hơn, mà hoạt động theo nguyên tắc hoàn toàn khác.”

Máy tính thông thường lưu trữ và xử lý thông tin bằng ngôn ngữ của 0 và 1, gọi là bit. Trong khi đó, máy tính lượng tử sử dụng “bit lượng tử” (qubit).

Qubit có thể tồn tại ở trạng thái 0 và 1 cùng lúc, hoặc ở bất kỳ trạng thái trung gian nào giữa hai giá trị đó, nhờ vào hiện tượng chồng chập lượng tử. Chính điều này giúp nó có thể xử lý thông tin nhanh gấp hàng triệu lần so với máy tính cổ điển.

Hãy hình dung như ví dụ mà phóng viên Anna Stewart (CNN) đưa ra: nếu bit là đồng xu khi rơi xuống bàn với mặt ngửa hoặc sấp, thì qubit là đồng xu đang xoay, vừa là ngửa vừa là sấp cùng lúc.

Dẫu vậy, đừng kỳ vọng máy tính lượng tử sẽ thay thế chiếc laptop hay smartphone của bạn. Thay vào đó, chúng được thiết kế để giải quyết những bài toán khổng lồ trong hóa học, vật lý, tài chính, khoa học vật liệu, mật mã học và mô phỏng sinh học, nơi mà máy tính thông thường gần như bất lực.

Chẳng hạn, BMW Group và Airbus đang hợp tác với startup Quantinuum để nghiên cứu cách ứng dụng máy tính lượng tử trong việc phát triển pin nhiên liệu.

Tương tự, Accenture Labs, Biogen và 1QBit đang hợp tác trong lĩnh vực phát hiện thuốc mới. Theo Accenture, máy tính lượng tử có thể so sánh và mô phỏng các phân tử phức tạp hơn nhiều lần so với khả năng của máy tính truyền thống.

“Hy vọng lớn nhất là máy tính lượng tử có thể mô phỏng mọi thí nghiệm hóa học hay sinh học mà ta thường làm trong phòng thí nghiệm,” Anand Natarajan, Phó giáo sư Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính, MIT, cho biết.

Cuộc chơi quyền lực khốc liệt và mong manh

Một trong những lĩnh vực chịu ảnh hưởng sâu sắc nhất từ máy tính lượng tử chính là mật mã học và an ninh mạng.

Bởi vì với năng lực xử lý vượt trội, máy tính lượng tử có thể phá vỡ các mã hóa dữ liệu hiện nay, vốn đang bảo vệ phần lớn thông tin tài chính, quân sự và cá nhân trên thế giới.

“Chính vì thế, một trong những động lực lớn nhất là phải đảm bảo rằng kẻ thù không thể sở hữu công nghệ này trước chúng ta,” Natarajan nói thêm.

Vào tháng 10 vừa qua, The Wall Street Journal đưa tin rằng một số công ty lượng tử đang đàm phán với Bộ Thương mại Mỹ về khả năng nhận vốn đầu tư liên bang đổi lấy cổ phần. Tuy nhiên, người phát ngôn Bộ Thương mại nói với CNN rằng “hiện tại bộ không có cuộc đàm phán nào về việc nắm giữ cổ phần trong các công ty lượng tử.”

Dù tiềm năng to lớn, ngành máy tính lượng tử vẫn đối mặt với hàng loạt thách thức kỹ thuật. Qubit cực kỳ mong manh, dễ bị ảnh hưởng bởi những thay đổi rất nhỏ trong nhiệt độ, ánh sáng, rung động hoặc nhiễu điện từ.

IBM đang cố gắng vượt qua rào cản này với bộ xử lý thử nghiệm Loon, được thiết kế nhằm chứng minh rằng có thể xây dựng máy tính lượng tử chống lỗi (fault-tolerant) – nghĩa là vẫn hoạt động ổn định dù xảy ra sai sót trong hệ thống.

“Chỉ cần rung nhẹ chiếc bàn thôi, là đủ để ‘giết chết’ một máy tính lượng tử. Một tia sáng lọt vào cũng có thể khiến nó hỏng,” Jay Gambetta, Giám đốc nghiên cứu của IBM, chia sẻ.

Còn chip Nighthawk mới của IBM có khả năng vận hành các “cổng lượng tử” (quantum gates) phức tạp hơn – đây là khối nền tảng để xử lý thông tin lượng tử, tương tự như transistor trong máy tính cổ điển.

IBM không phải người chơi duy nhất.

Tháng 2 vừa qua, Microsoft ra mắt chip lượng tử Majorana 1, chứa vật liệu đặc biệt có thể tạo ra trạng thái vật chất mới, giúp tạo ra các qubit ổn định hơn.

Trong khi đó, vào tháng 12, Google công bố chip lượng tử Willow, có khả năng giảm tỷ lệ lỗi khi số lượng qubit tăng, và có thể hoàn thành một phép tính trong 5 phút mà máy tính thông thường phải mất 10 triệu tỷ tỷ năm.

Từ lý thuyết đến hiện thực: bước ngoặt của nhân loại

Câu hỏi lớn nhất hiện nay không phải là liệu công nghệ lượng tử có thành công hay không, mà là khi nào nó sẽ trở thành hiện thực.

Theo giáo sư Anand Natarajan, chúng ta có thể phải chờ thêm 10 đến 20 năm nữa để thấy máy tính lượng tử đạt đến khả năng vận hành hoàn chỉnh.

Báo cáo của McKinsey cho biết 72% các giám đốc công nghệ, nhà đầu tư và học giả mà họ khảo sát tin rằng máy tính lượng tử “chống lỗi hoàn toàn” sẽ xuất hiện trước năm 2035. IBM cũng dự đoán có thể đạt được cột mốc đó trước cuối thập kỷ này.

Dù vậy, khi thời khắc đó đến, tác động của nó sẽ là địa chấn.

“Hiện tại, ở một khía cạnh nào đó, chúng ta đang cố gắng thực hiện phẫu thuật não bằng “thìa” và “nĩa”. Nhưng để thật sự làm được điều đó, bạn cần những công cụ tinh vi hơn rất nhiều. Và chính những công cụ tinh vi ấy là điều mà máy tính lượng tử hứa hẹn mang lại.” Sridhar Tayur, Đại học Carnegie Mellon, nhận định.

Trong nhiều thập kỷ, máy tính lượng tử được xem như giấc mơ viễn tưởng – một khái niệm phức tạp chỉ tồn tại trong phòng thí nghiệm. Nhưng hiện nay, với sự tham gia của các tập đoàn công nghệ lớn và sự đầu tư ngày càng mạnh mẽ, nó đang dần bước ra khỏi giới hạn của vật lý lý thuyết để chạm đến thực tế ứng dụng.

Khi công nghệ này đạt đến độ chín, nó sẽ không chỉ làm thay đổi cách con người xử lý dữ liệu, mà còn định nghĩa lại bản chất của tính toán, bảo mật và khám phá khoa học. Từ việc tìm ra thuốc chữa ung thư hiệu quả hơn, phát triển vật liệu siêu bền, cho đến mô phỏng chính xác biến đổi khí hậu – tất cả đều có thể trở thành hiện thực trong một kỷ nguyên hậu AI, nơi máy tính lượng tử mới là trung tâm của cuộc cách mạng tiếp theo.

Nếu trí tuệ nhân tạo là “bộ não” đang học cách suy nghĩ như con người, thì máy tính lượng tử sẽ là bộ não có thể suy nghĩ ở cấp độ của vũ trụ - nơi mọi khả năng tồn tại đồng thời, và mọi giới hạn đều có thể bị phá vỡ. Cuộc đua đã bắt đầu, và kẻ chiến thắng sẽ không chỉ nắm trong tay công nghệ, mà còn là chìa khóa cho tương lai của nhân loại.