Máy tính lượng tử làm được gì cho nhân loại?

Trong giới khoa học và công nghệ, điện toán lượng tử đã từ lâu là một khái niệm đầy hứa hẹn nhưng cũng đầy bí ẩn. Giống như năng lượng nhiệt hạch, nó là lĩnh vực mà nhiều người tin rằng sẽ tạo ra bước nhảy vọt lớn cho nhân loại - chỉ là chưa biết khi nào.

Tuy nhiên, những tháng gần đây, làn sóng lạc quan mới đã xuất hiện. Các ông lớn công nghệ như Google, Microsoft, Amazon và một loạt công ty khởi nghiệp chuyên sâu vào công nghệ lượng tử đang tuyên bố những bước tiến quan trọng, đưa điện toán lượng tử từ giai đoạn thử nghiệm đến gần hơn với ứng dụng thực tế. Một trong những tiếng nói nổi bật là ông Jeremy O’Brien - giám đốc điều hành PsiQuantum, công ty được đầu tư mạnh mẽ và đang cạnh tranh trực tiếp với các tên tuổi hàng đầu trong lĩnh vực này.

Theo ông O’Brien, tác động tiềm năng của máy tính lượng tử không chỉ nằm ở tốc độ xử lý, mà ở khả năng giải quyết những vấn đề mà trước nay được coi là không thể - từ mô phỏng phân tử, bào chế thuốc, xử lý biến đổi khí hậu cho đến đảm bảo an ninh lương thực.

Một tấm wafer quang tử silicon do PsiQuantum sản xuất, nhằm mục tiêu xây dựng máy tính lượng tử “quy mô công nghiệp” đầu tiên trên thế giới - Ảnh: PsiQuantum

Điều gì khiến máy tính lượng tử đặc biệt?

Để hiểu điện toán lượng tử khác gì so với máy tính truyền thống, cần nhìn vào cách chúng xử lý thông tin.

Máy tính thông thường dùng bit - những đơn vị thông tin ở trạng thái 0 hoặc 1. Các phép tính được thực hiện bằng cách kết hợp hàng tỉ bit thông qua các bóng bán dẫn điện tử.

Ngược lại, máy tính lượng tử sử dụng “qubit”, là những đơn vị thông tin dựa trên trạng thái lượng tử của các hạt hạ nguyên tử, như photon (hạt ánh sáng) hoặc electron. Nhờ một hiện tượng gọi là “sự chồng chập lượng tử”, một qubit có thể cùng lúc tồn tại trong cả trạng thái 0 và 1 - thay vì chỉ một trong hai.

Khả năng này giúp máy tính lượng tử xử lý nhiều phép tính cùng lúc, mang lại hiệu suất tiềm năng vượt xa bất kỳ siêu máy tính hiện tại nào. Ông O’Brien thậm chí cho rằng, việc so sánh một máy tính lượng tử với máy tính truyền thống là… vô ích, vì sự khác biệt quá lớn.

PsiQuantum đang phát triển máy tính lượng tử quy mô lớn tại Úc, dự kiến đi vào hoạt động vào năm 2027. Máy tính này được thiết kế để mở rộng tới một triệu qubit - một con số vượt xa các nguyên mẫu hiện có.

CEO PsiQuantum cho biết một trong những ứng dụng thực tế rõ ràng nhất là mô phỏng các phân tử phức tạp, điều mà máy tính cổ điển không thể làm được. Khi mô phỏng được cấu trúc và hành vi của phân tử ở mức độ chi tiết nhất, các nhà nghiên cứu có thể phát triển thuốc mới nhanh hơn, chính xác hơn và ít tác dụng phụ hơn.

Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh chi phí và thời gian phát triển thuốc ngày càng tăng. “Một ngày nào đó, con người sẽ thấy việc dùng thuốc mà không biết chính xác nó hoạt động ra sao là điều điên rồ”, O’Brien chia sẻ với Financial Times.

Bên cạnh đó, máy tính lượng tử còn có thể giúp giảm khí CO₂ trong khí quyển. Việc tìm ra vật liệu hoặc hợp chất lý tưởng để hấp thụ carbon hiện nay tốn rất nhiều công sức thử nghiệm. Máy tính lượng tử, nhờ khả năng mô phỏng chính xác các phản ứng hóa học phức tạp, có thể rút ngắn quá trình này đáng kể.

Ngoài ra, ông O’Brien cho rằng điện toán lượng tử có thể giúp phát triển phân bón hiệu quả hơn, giảm tác động đến môi trường và góp phần đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu.

Cuộc đua toàn cầu

PsiQuantum không phải là cái tên duy nhất trong cuộc đua điện toán lượng tử. Google, Microsoft, IBM và Amazon đều có các chương trình nghiên cứu riêng, với nhiều thành tựu được công bố gần đây. Công ty khởi nghiệp D-Wave tại Mỹ thậm chí còn tuyên bố máy tính lượng tử của họ vừa giải được một bài toán vượt quá khả năng của mọi hệ thống hiện tại.

Không chỉ doanh nghiệp, chính phủ các nước cũng bắt đầu vào cuộc. PsiQuantum đã huy động hơn 1,2 tỉ USD đầu tư, bao gồm 617 triệu USD từ chính phủ Úc - minh chứng cho tầm quan trọng chiến lược của lĩnh vực này.

Tuy nhiên, không phải ai cũng đồng tình với sự lạc quan này. Jensen Huang, Giám đốc điều hành Nvidia - hãng sản xuất chip hàng đầu thế giới - cho rằng máy tính lượng tử hữu dụng thực sự vẫn còn cách xa 15 - 30 năm. Trong khi đó, Demis Hassabis - nhà sáng lập DeepMind tin rằng trí tuệ nhân tạo trên nền tảng máy tính cổ điển vẫn có thể giải quyết được nhiều vấn đề vốn được cho là “lãnh địa” của điện toán lượng tử.

Những rủi ro không thể bỏ qua

Ngoài cơ hội, điện toán lượng tử cũng đặt ra một số thách thức nghiêm trọng. Điển hình là nguy cơ xâm nhập mã hóa, vì các thuật toán bảo mật hiện nay - bao gồm cả RSA, có thể bị phá vỡ nếu máy tính lượng tử đạt đủ năng lực xử lý.

Điều này có thể ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống tài chính, giao dịch trực tuyến, thậm chí là hạ tầng quốc phòng. Do đó, một cuộc chạy đua khác đang song song diễn ra: phát triển các phương pháp mã hóa “lượng tử an toàn”, có thể tồn tại ngay cả khi máy tính lượng tử trở thành hiện thực.

Bất chấp tiềm năng to lớn, việc xây dựng máy tính lượng tử vẫn là một thách thức kỹ thuật khổng lồ. Qubit rất dễ bị nhiễu loạn bởi tác động môi trường, nên việc duy trì trạng thái ổn định đủ lâu để thực hiện tính toán vẫn là trở ngại lớn.

PsiQuantum cho biết hệ thống của họ sử dụng photon thay vì electron - điều giúp tăng độ ổn định -nhưng vẫn chưa có bằng chứng rõ ràng cho thấy phương pháp này sẽ vượt trội khi được mở rộng quy mô.

Tuy vậy, theo ông O’Brien, nếu một hệ thống lượng tử có thể hoạt động ổn định và đáng tin cậy, thì thế giới sẽ bước sang một chương mới. “Mục đích không phải là tăng tốc máy tính, mà là giải quyết những vấn đề mà hiện nay chúng ta hoàn toàn không thể làm gì được”, ông nói.

Nhìn chung, điện toán lượng tử đang ở ngưỡng cửa chuyển mình từ một lĩnh vực nghiên cứu khoa học thuần túy sang nền tảng công nghệ có ảnh hưởng toàn cầu. Dù còn nhiều tranh cãi, tiềm năng của nó là không thể phủ nhận, từ chăm sóc sức khỏe, bảo vệ môi trường đến an ninh và tính toán quy mô lớn.

Nếu các nhà phát triển như PsiQuantum, Google hay Microsoft thành công, điện toán lượng tử có thể trở thành công cụ đắc lực trong việc giải quyết những thách thức phức tạp nhất mà nhân loại đang đối mặt.

Hoàng Vũ