Một cuộc đua nghẹt thở giữa các cường quốc

Ẩn mình giữa những ngọn đồi phủ đầy tuyết là một cơ sở bí mật, nơi lưu giữ một cỗ máy mang tính cách mạng, có thể khai thác các nguyên lý vật lý kỳ lạ đến mức nó nghe như phép thuật. Đây là trung tâm nghiên cứu của IBM, nơi đã tạo ra một số đột phá lớn nhất trong lịch sử khoa học máy tính và có thể sẽ là nơi sản sinh thêm nhiều đột phá khác. Đây cũng là nơi họ xây dựng các máy tính lượng tử, với tiềm năng khổng lồ trong việc tạo ra những bước đột phá về khoa học vật liệu, y học và vật lý cơ bản. Tuy nhiên, chúng cũng có mặt tối, vì chúng có thể giải mã mọi thông tin trên internet.

Các chuyên gia cho rằng hiện nay có một cuộc chạy đua vũ trang lượng tử giữa Hoa Kỳ và đối thủ kinh tế lớn nhất của họ. Tôi là giáo sư Brian, một nhà toán học và tác giả, tôi muốn tìm hiểu công nghệ lượng tử sẽ đưa chúng ta đến đâu và những kế hoạch về an ninh quốc tế liên quan đến nó.

Đây là trụ sở nghiên cứu của IBM, một trong những công ty công nghệ lâu đời nhất. Họ đã phát minh ra các công nghệ máy tính mới tại đây từ những năm 1960, giống như sự kết hợp giữa tương lai trong phim hoạt hình “The Jetsons” và thế giới cổ điển của “The Flintstones.”

Nhà khoa học lượng tử Olivia Lanes đang cho tôi xem cỗ máy thử nghiệm mới nhất của IBM, một cỗ máy khổng lồ sáng loáng. Đây là hệ thống lượng tử IBM System Two. Nhưng có gì đặc biệt về nó? Tại sao không chỉ xây dựng một siêu máy tính thông thường? Lanes giải thích rằng đây không chỉ là siêu máy tính mạnh hơn hay AI mạnh hơn, mà là một phương pháp tính toán hoàn toàn khác biệt, dựa trên khả năng khai thác các hiệu ứng bí ẩn của vật lý lượng tử.

Máy tính thông thường hoạt động dựa trên hàng tỷ công tắc nhỏ có thể bật hoặc tắt, được gọi là bit. Các bit này rất chính xác và hoạt động theo trình tự. Nhưng nếu bạn yêu cầu một máy tính thông thường giải một mê cung, nó sẽ phải kiểm tra từng bước đi, từng ngã rẽ cho đến khi tìm ra giải pháp. Quá trình này có thể mất giây, phút, hoặc thậm chí nhiều năm với những vấn đề lớn.

Máy tính lượng tử thì khác. Thay vì bit, nó sử dụng các qubit, và các qubit này không chỉ ở trạng thái bật hoặc tắt, mà có thể ở cả hai trạng thái cùng lúc, một khái niệm gọi là “superposition” (siêu vị trí). Điều này cho phép máy tính lượng tử tính toán hàng loạt khả năng cùng lúc và đưa ra câu trả lời gần như ngay lập tức.

Điều này khiến máy tính lượng tử có khả năng xử lý các tính toán phức tạp mà siêu máy tính hiện tại phải mất hàng triệu năm mới hoàn thành. Nhưng đây không phải là lý do duy nhất khiến chúng trở thành một “game changer” cho khoa học. Lanes nhấn mạnh rằng bản chất của tự nhiên là cơ học lượng tử. Khi tiếp cận cấp độ phân tử và nguyên tử, tự nhiên không tuân theo các quy luật vật lý cổ điển, mà phải được giải thích theo các nguyên lý của vật lý lượng tử.

Tuy nhiên, hiện tại, máy tính lượng tử vẫn chưa thể thực hiện các tính toán hữu ích nhanh hơn so với siêu máy tính. Đưa các qubit vào hoạt động ổn định và đưa ra câu trả lời đáng tin cậy là một thách thức cực kỳ khó khăn. Chúng ta đã được chiêm ngưỡng phòng thí nghiệm của IBM, nơi họ thử nghiệm phần cứng mới. Những máy móc này phải được làm lạnh đến nhiệt độ gần bằng 0 tuyệt đối để loại bỏ mọi rung động bên ngoài, giúp qubit có thể duy trì trạng thái lượng tử.

IBM dự đoán họ sẽ khai thác toàn bộ tiềm năng của lượng tử vào năm 2033. Điều này đòi hỏi một khoản đầu tư lớn. Khi được hỏi về chi phí, IBM thừa nhận rằng chương trình này đã tiêu tốn hàng tỷ đô la đầu tư. Trong lĩnh vực công nghệ hiện nay, nếu bạn không đầu tư ở quy mô đó, rất khó để duy trì sự tiên phong.

Với các công ty công nghệ lớn như Google, Microsoft, Honeywell cũng tham gia cuộc đua lượng tử, IBM cho rằng họ không chỉ cạnh tranh mà còn muốn xây dựng cả một ngành công nghiệp hoàn toàn mới.

Máy tính lượng tử hứa hẹn thay đổi thế giới, nhưng con đường phát triển còn dài và nhiều thách thức. Chúng sẽ không chỉ mang lại tốc độ tính toán không thể tưởng tượng nổi, mà còn mở ra cánh cửa nhìn vào bản chất của vũ trụ. Như nhà vật lý Michio Kaku nói, “Chúng ta đang bước vào một cuộc đua lượng tử và quốc gia hay công ty nào giành chiến thắng sẽ định hình tương lai kinh tế toàn cầu.”

Và chúng tôi không muốn làm điều này một mình. Bạn hợp tác nhiều với các công ty khác như Google hay Microsoft trong lĩnh vực này không? Chúng tôi hợp tác rất nhiều với bên ngoài vì đối với chúng tôi, việc hợp tác là trung tâm của việc xây dựng một hệ sinh thái. Đây cũng là ý tưởng về việc tạo ra một ngành công nghiệp mới.

Nhưng còn với các công ty Trung Quốc thì sao? Không, chúng tôi không hợp tác với họ. Tuy nhiên, chúng tôi nhận thức rõ rằng công nghệ này, như trong trường hợp của Guangdong (Trung Quốc), đang được phát triển rất nhanh. Điều này không chỉ mang tính kinh tế lớn mà còn liên quan đến an ninh quốc gia.

Công nghệ lượng tử thuộc loại công nghệ nhạy cảm, và từ quan điểm này, Hoa Kỳ cần đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự dẫn đầu. Và điều này được thừa nhận ở cả hai phía trong Quốc hội Hoa Kỳ. Một trong những điều mà chúng ta đang chứng kiến là công nghệ đã được nâng tầm lên mức quan trọng chiến lược ngang hàng với thương mại hoặc liên minh quân sự.

Máy tính lượng tử chắc chắn là một trong những công nghệ hàng đầu mà Hoa Kỳ cần dẫn đầu. Hiện tại, Hoa Kỳ vẫn giữ vị thế thống trị trong việc phát triển máy tính lượng tử, nhưng đối thủ lớn nhất của họ đang nhanh chóng bắt kịp. Trung Quốc đang đầu tư lớn vào lĩnh vực này, với hơn 15 tỷ đô la, gấp ba lần so với bất kỳ quốc gia nào khác. Họ đã thành lập hàng chục viện nghiên cứu mới chuyên về lượng tử và nắm giữ hơn một nửa số bằng sáng chế về công nghệ lượng tử.

Chuyên gia an ninh Anna Puglisi đã tư vấn cho chính phủ Hoa Kỳ về cách không để bị tụt hậu. Trung Quốc thực sự coi khoa học và công nghệ là tài sản quốc gia. Họ không chỉ muốn dẫn đầu mà còn muốn thống trị trong các lĩnh vực này. Hoa Kỳ có coi khoa học là tài sản quốc gia không? Theo tôi, chúng ta không có một kế hoạch chiến lược toàn diện như vậy, kết hợp tất cả các khía cạnh của xã hội và có tầm nhìn đầu tư dài hạn.

Chúng ta đang đối mặt với một sân chơi không công bằng. Các nhà nghiên cứu của chúng ta phải đối đầu với nguồn tài trợ khổng lồ từ các quốc gia. Sự khác biệt về quy mô tài trợ là bao nhiêu? Một số ví dụ mà mọi người đưa ra là: “Trong phòng thí nghiệm của tôi, tôi có khoảng 5 đến 6 sinh viên sau đại học, nhưng các phòng thí nghiệm tương đương ở Trung Quốc có thể có tới 50-100 sinh viên.” Hoa Kỳ hiện đã đảm bảo rằng công nghệ tiên tiến nhất của Mỹ không thể được sử dụng ở Trung Quốc. Nhờ Đạo luật Khoa học và Chíp, Hoa Kỳ đang đầu tư nhiều hơn vào nghiên cứu và phát triển hơn bao giờ hết.

Ai là người đầu tiên khai thác được tiềm năng của máy tính lượng tử sẽ nắm giữ sức mạnh khổng lồ. Nhưng đây là một con dao hai lưỡi, vì thế giới với máy tính lượng tử có thể là một thế giới không có bí mật. Hầu hết các giao tiếp trên internet hiện nay đều dựa vào việc mã hóa bằng một mã bí mật, thường là bằng cách sử dụng các số nguyên tố. Máy tính cổ điển phải thử từng số nguyên tố một để giải mã, và với các mã sử dụng các số nguyên tố dài hàng trăm chữ số, việc này có thể mất hàng nghìn năm.

Nhưng máy tính lượng tử, nhờ khả năng tính toán song song, có thể giải mã các mã này chỉ trong vài phút. Điều này có nghĩa là dữ liệu được mã hóa có thể bị xâm nhập trong thời gian rất ngắn. Không ai lo sợ một cuộc tấn công toàn cầu vào dữ liệu nhiều như ngành ngân hàng. Tiến sĩ Philip Tanura, người đứng đầu bộ phận công nghệ lượng tử tại HSBC, cho biết: “Chúng tôi xử lý 3,5 nghìn tỷ bảng mỗi năm. Mật mã học là một vấn đề lớn đối với chúng tôi.”

Mức độ thảm họa sẽ ra sao nếu không có biện pháp gì được thực hiện? Cuối cùng, khách hàng sẽ bị xâm nhập tài khoản, dẫn đến các vấn đề như trộm danh tính, lừa đảo và mất tiền. Điều này sẽ ảnh hưởng đến tài chính của cả ngân hàng lẫn khách hàng, nhưng mối đe dọa lớn nhất là sự mất lòng tin. Nếu khách hàng không thể tin tưởng rằng ngân hàng có thể bảo vệ tài khoản và dữ liệu của họ, điều đó sẽ đặt ra rủi ro sống còn.

Liệu có chắc rằng điều này chưa xảy ra chưa? Nếu tôi có một chiếc máy tính lượng tử, tôi có thể giải mã thông tin, nhưng có lẽ tôi sẽ không nói ra điều đó. Tuy nhiên, rất có thể có một điều gọi là “lưu trữ bây giờ, giải mã sau” mà các tác nhân nhà nước hoặc các thực thể ác ý có thể đang thu thập dữ liệu của chúng ta ngay bây giờ và lưu trữ nó chờ đến khi máy tính lượng tử có thể giải mã.

Câu hỏi này không chỉ về an ninh quốc gia mà còn là sự an toàn của dữ liệu toàn cầu. Các bí mật quốc gia sẽ bị bại lộ, danh tính các điệp viên sẽ bị tiết lộ, gây ra mọi loại lỗ hổng từ cấp cá nhân đến cấp quốc gia. HSBC cho biết rằng việc không làm gì là không phải một lựa chọn. Ngân hàng này đã thử nghiệm một phương pháp bảo mật dữ liệu chống lại các cuộc tấn công từ máy tính lượng tử.

Dữ liệu internet hiện nay được truyền qua các xung laser trong cáp quang. Tiến sĩ Andrew Shields, người đứng đầu bộ phận công nghệ lượng tử tại Toshiba, giải thích: “Các mạng cáp quang rất an toàn nhưng chúng vẫn có thể bị xâm nhập nếu một hacker uốn cong cáp quang và làm rò rỉ một phần ánh sáng, từ đó có thể thu thập và giải mã dữ liệu.”

Để chống lại điều này, Shields đã phát triển một thiết bị tận dụng các nguyên lý vật lý lượng tử.

Để truyền dữ liệu theo cách mà họ khẳng định không bao giờ có thể bị hack, công nghệ này được gọi là phân phối khóa lượng tử (quantum key distribution). Đây chính là nó. Đúng vậy. Hộp này đang gửi các photon đơn qua một sợi cáp quang vào mạng BT. Chúng tôi sử dụng nó để tạo ra các khóa mã hóa và sau đó sử dụng các khóa này để bảo vệ dữ liệu được gửi giữa đây và trung tâm dữ liệu ở Berkshire. Thiết bị này tạo ra một mã bí mật bằng cách sử dụng các hạt ánh sáng đơn (photon), được gửi qua sợi cáp quang.

Một nguyên lý cơ bản của vật lý lượng tử là nếu bạn quan sát một photon, trạng thái lượng tử của nó sẽ bị thay đổi. Điều này có nghĩa là nếu có ai đó cố gắng nghe lén khóa mã hóa, mã sẽ bị thay đổi và không thể sử dụng được. Thiết bị này đã sử dụng mạng cáp quang hiện có của công ty viễn thông BT để gửi các tệp tin nhạy cảm qua London đến một trung tâm dữ liệu cách đó hơn 30 dặm.

Chúng tôi đã thử nghiệm công nghệ này để gửi dữ liệu tài chính của HSBC và các dữ liệu khác như các kết quả chụp hình y tế từ các bệnh viện hay dữ liệu chính phủ. Bạn có nhận thấy sự cấp bách đối với các công ty không, mặc dù máy tính lượng tử vẫn chưa hoàn thiện? Đúng, rõ ràng là vậy. Ngày càng có nhiều nhận thức rằng máy tính lượng tử đang đến rất gần. Theo bạn, bao lâu nữa chúng sẽ trở thành hiện thực? À, đó là một câu hỏi rất khó để trả lời. Nếu tôi phải đặt cược, có lẽ tôi sẽ nói từ 5 đến 7 năm.

Điều không phải là chúng ta có thể nghi ngờ rằng liệu điều này có xảy ra hay không, mà là khi nào nó sẽ xảy ra. Và khi điều đó xảy ra, các hệ thống liên lạc hiện tại của chúng ta sẽ không còn phù hợp nữa, và chúng ta không có lựa chọn nào khác ngoài việc tìm kiếm các giải pháp mới an toàn hơn. Một số quốc gia đã tiến bộ hơn. Vào năm 2016, Trung Quốc gây chấn động thế giới khi phóng một vệ tinh có khả năng gửi khóa lượng tử ở khoảng cách xa hơn nhiều so với cáp quang. Đó là một phần của mạng lưới lượng tử rộng lớn mà Trung Quốc đã xây dựng, kết nối ngân hàng, chính phủ và công nghiệp trên khắp đất nước, khiến các quốc gia khác phải chạy đua để theo kịp.

Trên những con phố hiện đại của Singapore, cuộc cách mạng lượng tử đã tìm thấy mảnh đất màu mỡ. Các nhà khoa học ở đây muốn xây dựng một mạng lưới không thể bị hack có thể thương mại hóa để bất kỳ ai cũng có thể sử dụng. Giáo sư Alexander Ling điều hành Trung tâm Công nghệ Lượng tử tại Đại học Quốc gia Singapore, một nhóm các nhà khoa học được chính phủ tài trợ đang nghiên cứu nhiều loại công nghệ lượng tử khác nhau.

Họ nói với tôi rằng tôi sẽ được xem các vệ tinh nano, và chúng nhỏ hơn tôi mong đợi rất nhiều. Vệ tinh này nhẹ hơn gấp 200 lần so với vệ tinh lượng tử của Trung Quốc. Mục tiêu lớn ở đây là chúng tôi muốn xây dựng một mạng lưới toàn cầu, nơi chúng tôi có thể phân phối các tín hiệu lượng tử trên khắp thế giới. Chúng ta có thể sử dụng cáp quang để truyền tín hiệu lượng tử, nhưng điều này có giới hạn về khoảng cách. Vì vậy, nếu kết hợp với các vệ tinh, chúng ta có thể xây dựng một mạng lưới toàn diện hơn trên toàn cầu.

Kế hoạch của họ là bắn các photon đơn vào không gian qua mạng lưới các vệ tinh và kính thiên văn. Những khóa lượng tử này sẽ cung cấp một hệ thống bảo mật không thể bị hack trên phạm vi toàn cầu. Đây là thiết bị thu photon của bạn phải không? Đúng vậy, đây là kính thiên văn của chúng tôi để thu nhận các tín hiệu từ vệ tinh.

Giao tiếp tầm xa chỉ là một phần trong công việc của giáo sư Ling. Họ cũng hợp tác với các công ty Mỹ và Trung Quốc. Công nghệ lượng tử được phát triển trong thời kỳ quan hệ quốc tế dễ chịu hơn, khi mọi người còn cởi mở trao đổi ý tưởng và con người. Tuy nhiên, với những căng thẳng địa chính trị ngày nay, việc kiểm soát xuất khẩu và hạn chế đang được thảo luận.

Các nhà khoa học hiểu rõ tiềm năng của máy tính lượng tử có thể đẩy mạnh những khám phá của họ, trong khi các ngân hàng và chính phủ nhận thức rõ rủi ro và tiềm năng tăng trưởng kinh tế. Nhưng liệu cuộc đối đầu căng thẳng này có thực sự quyết định tương lai quyền lực toàn cầu không? Cuộc đua lượng tử không giống với các cuộc đua trước đây, như cuộc đua không gian hay vũ khí hạt nhân. Không chỉ có một người chiến thắng duy nhất. Tương lai lượng tử là xây dựng một công cụ khoa học cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về vũ trụ ở cấp độ nguyên tử, điều mà trước đây chưa từng có.