Bộ môn Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
Các nhà khoa học cho rằng, điện toán lượng tử (quantum computing) chính là chìa khóa để đi vào một kỷ nguyên công nghệ mới. Các kỹ sư đang chú ý đến một bước đột phá trong điện toán lượng tử. Nếu mọi việc diễn ra theo đúng kế hoạch, các máy tính sẽ lấy năng lượng từ lượng tử để thực hiện các phép tính phức tạp trong thời gian nhanh nhất.
1. Tìm hiểu về điện toán lượng tử
Điện toán lượng tử (Quantum computing) là một trong các phương pháp xử lý thông tin tiến bộ trong tương lai. Theo đó người ta sẽ sử dụng những nguyên lý của cơ học lượng tử để thực hiện các phép tính phức tạp trong một khoảng thời gian ngắn do nhiều siêu máy tính nhanh nhất trên thế giới thực hiện.
Theo định nghĩa của Gartner, một công ty nghiên cứu và tư vấn công nghệ thông tin hàng đầu thế giới thì điện toán lượng tử là: Sử dụng các trạng thái lượng tử nguyên tử để tác động đến sự tính toán. Dữ liệu được tổ chức thành các qubit, có khả năng nắm giữ đồng thời tất cả các trạng thái có thể xảy ra. Dữ liệu được giữ trong qubit bị ảnh hưởng bởi dữ liệu được giữ trong các qubit khác, ngay cả khi có sự tách biệt về mặt vật lý. Hiệu ứng này được gọi là “sự vướng víu lượng tử”. Trong một mô tả đơn giản, máy tính lượng tử sử dụng các qubit thay vì sử dụng các bit nhị phân truyền thống là số 0 và số 1 cho thông tin kỹ thuật số [1].
Điện toán lượng tử dựa trên bit lượng tử, gọi là quantum bit (viết tắt là Qubit).
Qubit là đơn vị thông tin cơ bản trong tính toán lượng tử. Qubit đóng một vai trò tương tự trong tính toán lượng tử như các bit đóng trong tính toán cổ điển, nhưng chúng hoạt động rất khác nhau. Các bit cổ điển là nhị phân và chỉ có thể giữ một vị trí 0 hoặc 1, nhưng các qubit có thể giữ một chồng tất cả các trạng thái có thể có.
Hình 1. Điện toán lượng tử thay thế máy tính truyền thống
Điện toán lượng tử có thể đóng góp rất nhiều trong các lĩnh vực tài chính, quân sự và trí tuệ, thiết kế và khám phá thuốc, thiết kế hàng không vũ trụ, tiện ích (phản ứng tổng hợp hạt nhân), thiết kế polymer, máy học & trí tuệ nhân tạo (AI), tìm kiếm Dữ liệu lớn (Big data) và sản xuất kỹ thuật số.
Quy mô thị trường dự kiến và tiềm năng của nó đã thu hút một số công ty công nghệ nổi bật nhất làm việc trong lĩnh vực điện toán lượng tử, bao gồm IBM, Microsoft, Google, D-Waves Systems, Alibaba, Nokia, Intel…
2. Ưu thế lượng tử
Ưu thế lượng tử (quantum supremacy) là tên được đặt cho điểm giả thuyết mà tại đó một máy tính lượng tử có thể thực hiện một phép tính mà không một máy tính kỹ thuật số có thể thực hiện trong một khoảng thời gian hợp lý. Lĩnh vực máy tính lượng tử bắt đầu vào những năm 1980. Máy tính lượng tử xử lý thông tin theo cách sử dụng qubit, có thể là 1 hoặc 0 cùng một lúc. Số lượng qubit liên kết với nhau làm tăng khả năng tính toán lượng tử theo cấp số nhân. Trong khi đó, việc liên kết nhiều bóng bán dẫn với nhau hơn chỉ làm tăng công suất một cách tuyến tính.
Các nhà nghiên cứu của Google hiện dường như đã thực hiện một phép tính như vậy. Nhiệm vụ là thực hiện một chuỗi lệnh ngẫu nhiên trên máy tính lượng tử, sau đó xuất ra kết quả xem xét các qubit của nó. Và điều này khó thực hiện trên máy tính kỹ thuật số [2].
Hình 2. Cơ học lượng tử hoá trên nền qubit
3. Hoạt động máy tính lượng tử
Một máy tính lượng tử có ba phần chính:
- Một khu vực chứa các qubit.
- Phương pháp chuyển tín hiệu tới qubit.
- Một máy tính cổ điển để chạy chương trình và gửi hướng dẫn.
Đối với một số phương pháp lưu trữ qubit, đơn vị lưu trữ các qubit được giữ ở nhiệt độ chỉ trên độ không tuyệt đối để tối đa hóa tính liên kết của chúng và giảm nhiễu. Các loại vỏ qubit khác sử dụng buồng chân không để giúp giảm thiểu rung động và ổn định các qubit.
Tín hiệu có thể được gửi đến qubit bằng nhiều phương pháp, bao gồm vi sóng, laser và điện áp.
4. Ứng dụng máy tính lượng tử trong các lĩnh vực
Về cơ bản, máy tính lượng tử có thể chạy (một số) phép tính nhanh hơn theo cấp số mũ so với máy tính nhị phân thông thường ngày nay. Điều này làm cho máy tính lượng tử trở nên vô cùng mạnh mẽ khi có thể giải quyết song song cả tỷ phép tính trong khi một máy tính nhị phân cổ điển chỉ có thể giải quyết từng phép tính [3] .
Google đã tuyên bố làm được máy tính lượng tử Sycamore tính toán siêu nhanh. Máy tính lượng tử của Google mất khoảng 200 giây (3 phút 20 giây) để thực hiện được phép toán mà IBM Summit, siêu máy tính mạnh nhất thế giới, ước tính phải mất 10.000 năm mới giải xong.
Hình 3. Ứng dụng CNTT trong lượng tử hóa
Do vậy, trong các lĩnh vực cần tối ưu hóa thời gian xử lý, máy tính lượng tử có thể giải quyết các vấn đề mà máy tính nhị phân hiện tại chưa thể hoàn thành trong thời gian nhanh chóng. Vậy công nghệ máy tính lượng tử có thể sử áp dụng vào những khía cạnh nào, hãy cùng tìm hiểu.
Dự báo thời tiết với độ chính xác cực cao
Dù có sử dụng những thiết bị đo khí tượng tốt nhất thì việc đưa ra một bản dự báo thời tiết với độ chính xác gần như tuyệt đối vẫn là một công việc không khả thi. Nhưng với sự xuất hiện của máy tính lượng tử thì việc xây dựng một mô hình thời tiết cho một khu vực hay toàn cầu là hoàn toàn có thể làm được.
Mô phỏng phân tử
Mô phỏng phân tử đã là một lĩnh vực quan trọng trong sinh học và hóa học, vì nó giúp chúng ta hiểu cấu trúc của các phân tử, cách chúng tương tác với nhau và cũng giúp ta khám phá các phân tử mới. Mặc dù các máy tính cổ điển ngày nay có thể mô phỏng các động lực học phân tử, nhưng lại luôn hạn chế trong việc mô phỏng các phân tử phức tạp nhất định. Máy tính lượng tử có thể phá vỡ rào cản này một cách hiệu quả.
Hình 4. Mô phỏng phân tử trong lượng tử hóa
Bảo mật thông tin chặt chẽ hơn
Chúng ta luôn sử dụng các thông tin được mã hóa mà thậm chí bản thân mình không hề nhận ra như đăng nhập vào các tài khoản email hay dùng thẻ tín dụng để mua hàng qua mạng. Mặc dù khả năng những dữ liệu này bị can thiệp là không cao nhưng vẫn còn tiềm ẩn nhiều nguy cơ từ những tin tặc. Với máy tính lượng tử thì cơ chế bảo mật đã được thay mới bằng hệ thống phòng vệ cơ học lượng tử. Hệ thống này hoạt động theo cơ chế ổ khóa nào thì đi với chìa khóa đấy và có thêm nhận dạng của các bên liên quan.
Máy học
Máy tính lượng tử có thể giúp giải quyết các vấn đề về máy học, tạo kết nối giữa các đầu vào và ‘học’ các kết nối như thế nào. Bằng cách xem xét các cặp đầu vào và đầu ra đã biết, máy tính lượng tử cho phép các nhà nghiên cứu khai thác một loạt các kết nối phong phú và xây dựng các mô hình.
Những cỗ máy có khả năng học hỏi sẽ là một trong những điểm mạnh nhất của máy tính lượng tử khi bộ xử lý của những robot tương lai sẽ có khả năng tự thu thập thông tin, xử lý chúng và tự thích nghi với những tình huống có thể xảy ra dựa vào những thông tin nhận được. Những cuộc thám hiểm không gian hay thăm dò những khu vực nguy hiểm sẽ rất cần điều này.
AI nhân văn hơn
Trong suốt thập kỷ qua, AI đã trải qua nhiều bước tiến với việc sử dụng các mạng lưới thần kinh là mô hình học máy dựa trên các tế bào thần kinh trong não của chúng ta. Việc mô phỏng lại mạng nơ – ron thần kinh là một thách thức rất lớn với các nhà nghiên cứu, không chỉ đơn giản là nhập dữ liệu về hình ảnh, nhận dạng giọng nói, hành vi con người mà còn phải đào tạo nó.
Việc đào tạo các mạng lưới thần kinh lớn đòi hỏi một sức mạnh tính toán khổng lồ và phải mất một thời gian rất dài. Vấn đề này có thể dễ dàng được giải quyết bằng cách sử dụng máy tính lượng tử. Máy tính lượng tử có thể giảm đáng kể thời gian để đào tạo các mạng thần kinh lớn trên các bộ dữ liệu lớn hơn.
Vì lý do này, Google đang đầu tư vào nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử để tăng tốc thuật toán AI của mình bằng phần cứng lượng tử.
5. Ảnh hưởng của điện toán lượng tử đối với an ninh mạng
Mặc dù điện toán lượng tử có tiềm năng mang lại nhiều lợi ích từ học máy và phân tích dữ liệu đến mật mã và an ninh mạng, nhưng bản thân tính toán lượng tử lại tạo ra những nguy cơ và phơi bày rủi ro mới gây mất tính an toàn, đặc biệt ở khả năng phá vỡ hầu hết các mã hóa hiện đại vốn là nền tảng của internet, truyền thông và thương mại điện tử - chính là kết cấu của xã hội của chúng ta.
Hình 5. Chip mã hóa đối xứng và bất đối xứng
Sự ra đời của Quy định chung về Bảo vệ Dữ liệu (GDPR) của Liên minh châu Âu đã báo trước một kỷ nguyên bảo vệ mới cho các quyền và tự do cá nhân. Ban đầu GDPR không được lưu tâm, giờ đây với các khoản phạt liên quan đến vi phạm GDPR tích lũy gần mốc 3 tỷ euro, các tổ chức cần cân nhắc lại về cách tiếp cận của họ đối với quy định này. Với tính toán lượng tử, liệu các tổ chức có đi lại con đường tương tự như của GDPR không? Các nhà nghiên cứu và kỹ sư công nghệ về an ninh mạng đang quan tâm đúng mức đến điện toán lượng tử (vốn có cả tích cực lẫn tiêu cực) hay chưa?
Vai trò của mã hóa
Về cơ bản nhất, mã hóa là hành động lấy một đoạn thông tin mà con người có thể đọc được và biến nó thành văn bản không thể hiểu được. Mặc dù mã hóa không phải là mối quan tâm hàng đầu đối với hầu hết chúng ta, nhưng mã hóa đã trở thành một yếu tố hỗ trợ quan trọng cho các hoạt động then chốt khác nhau trong đời sống hàng ngày mà chúng ta vốn coi là đương nhiên.
Hai hình thức mã hóa chính, thứ nhất là mã hóa đối xứng, ở đó cùng một khóa được sử dụng để mã hóa và giải mã dữ liệu; thứ hai là mã hóa bất đối xứng, bao gồm một cặp khóa được liên kết về mặt toán học. Mặc dù cấu trúc toán học là khác nhau, nhưng gần như tất cả các giao tiếp trên Internet đều sử dụng cả mật mã đối xứng và bất đối xứng. Do đó, cả hai hình thức mật mã này cần phải được đảm bảo an toàn [4].
Chuẩn bị cho một thế giới hậu lượng tử
Điện toán lượng tử cũng đặt ra câu hỏi về quy định và luật pháp. Ví dụ: theo GDPR (Điều 5) và các luật tương tự khác, có yêu cầu rằng dữ liệu cá nhân phải được “xử lý theo cách đảm bảo an toàn dữ liệu cá nhân thích hợp... bằng cách sử dụng các biện pháp kỹ thuật hoặc cách thức tổ chức phù hợp”. Yêu cầu này sẽ khó có thể được đáp ứng nếu các tổ chức tiếp tục áp dụng mã hóa thông thường trong kỷ nguyên lượng tử.
Ngoài ra, nhiều vụ vi phạm dữ liệu thu hút sự chú ý toàn cầu từ các cơ quan quản lý, luật sư tranh tụng và các vụ kiện tập thể là kết quả của việc kiểm tra tình trạng mạng (Cyber Hygiene) kém, thông tin đăng nhập bị đánh cắp/yếu hoặc các lỗ hổng đã biết. Các tổ chức gặp rủi ro gì khi họ cố ý tiếp tục sử dụng mã hóa thông thường vốn dễ bị tổn thương trước tấn công lượng tử? Liệu dữ liệu bị đánh cắp ở hiện tại và bị lộ về sau này do những tiến bộ điện toán lượng tử trong tương lai có dẫn đến các vụ kiện và hình phạt tập thể không? Có thể cho rằng, phần lớn dữ liệu liên lạc ngày nay đã được ghi lại, lưu trữ và sẵn sàng để giải mã sau này [4].
Bắt đầu từ đâu
Điều quan trọng cần lưu ý là các công nghệ lượng tử không phải là mới đối với chúng ta. Cơ học lượng tử đã cho phép tạo các thiết bị như MRI, đèn LED và thậm chí cả đồng hồ GPS trong ô tô của bạn. Mặc dù thời gian để hiện thực hóa máy tính lượng tử có quy mô đủ lớn là không rõ ràng (dự đoán là sau năm 2030), bước đầu tiên là công nhận tác động của điện toán lượng tử đối với mật mã ngày nay và các giải pháp an ninh mạng hiện tại phần lớn sẽ không đủ an toàn. Các rủi ro an toàn như vậy cần phải được xem xét ngay từ thời điểm bây giờ [5].
Một giải pháp dành cho các tổ chức là bắt đầu nghĩ về các thuật toán mật mã hậu lượng tử (PQC) và thay thế các thuật toán hiện tại bằng các thuật toán kháng lượng tử mới. Năm ngoái, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST) đã chỉ định bốn thuật toán mã hóa đầu tiên mà họ tin rằng sẽ an toàn sau sự xuất hiện của điện toán lượng tử. Các tổ chức nên đánh giá tính an toàn của các thuật toán ứng viên hậu lượng tử và chuyển sang sử dụng các thuật toán này để đảm bảo tính an toàn dữ liệu. Bắt đầu bằng cách xác định các lựa chọn thuật toán tốt nhất và lập kế hoạch chuyển đổi, lưu ý rằng các thuật toán PQC vẫn đang được phát triển.
Bản thân công nghệ lượng tử cung cấp một hướng đi khác, thông qua phân phối khóa lượng tử (QKD) và các kỹ thuật mã hóa khác. QKD sử dụng các tính chất của vật lý lượng tử: sự liên đới (entanglement) và tính phi định xứ (non-locality) của các bên ở xa và độ bất định lượng tử (quantum uncertainty) nhằm tạo ra và phân phối một bí mật được chia sẻ giữa những người dùng một cách an toàn trên các kênh không an toàn, sau đó có thể được sử dụng cho truyền thông điệp an toàn. QKD đảm bảo tính an toàn về phía trước nhưng yêu cầu kỹ thuật công nghệ chuyên dụng như cơ sở hạ tầng cáp quang chất lượng cao.
Lưu ý tính an toàn về phía trước giúp bảo vệ các khóa phiên (session key) không bị thỏa hiệp. Mặc dù QKD an toàn về mặt “lý thuyết thông tin”, tuy nhiên, trên thực tế, có những thách thức chứng nhận về xác thực giữa các bên, tính nhạy cảm của phần cứng vật lý, mất kênh và từ chối dịch vụ đã ngăn cản việc áp dụng QKD. QKD vẫn đang được nghiên cứu và phát triển để có khả năng khắc phục những thách thức đó.
Các tổ chức cũng cần xem xét việc cập nhật các chính sách mua sắm với quy định rằng các giao dịch mua công nghệ trong tương lai yêu cầu tính linh hoạt về mật mã (tức là có khả năng thêm và chuyển sang các thuật toán mới hơn, an toàn hơn khi sẵn sàng).
Trên thực tế, không nên nhìn nhận an toàn lượng tử như một sự thay thế hoàn toàn cho các biện pháp an toàn hiện có mà thay vào đó là một hình thức an toàn bổ sung cần được quản lý cùng với cơ sở hạ tầng hiện tại. Các tổ chức sẽ cần tính đến cách thức cài đặt, triển khai, quản lý và duy trì cả tính an toàn truyền thống và an toàn hậu lượng tử trên hệ thống của họ [5] .
Tài liệu tham khảo
[1] Azure: What is quantum computing
[2] Investopedia: Quantum Computing
[3] Wired: Quantum computing and quantum supremacy, explained
[4] Leonard Kleinman, “The Quantum Effect On Cybersecurity”, Forbes, Feb 9, 2023.
[5] NCSC Fact Sheet – Protecting Critical and Emerging U.S. Technologies from Foreign Threats. 21 October 2021.
ThS. Nguyễn Khắc Hoàng (Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại học Văn Hiến)