Trong vài năm trở lại đây, công chúng dành rất nhiều sự chú ý cho những bước đột phá của trí tuệ nhân tạo (AI). Tuy nhiên, một công nghệ quan trọng khác cũng đang âm thầm phát triển và được dự đoán sẽ tạo ra tác động to lớn không kém đối với an ninh quốc gia cũng như kinh tế toàn cầu: máy tính lượng tử (quantum computing). Công nghệ này dựa trên các quy luật cơ học lượng tử – một thế giới hoàn toàn khác biệt so với cơ học cổ điển – để giải quyết những bài toán mà máy tính truyền thống không thể, hoặc phải mất thời gian “vô hạn” mới hoàn thành.
Ngay từ thập niên 2010, nhiều quốc gia tiên tiến, trong đó có Hoa Kỳ, Trung Quốc, Nhật Bản và các nước châu Âu, đã bắt đầu “chạy đua” để giành lợi thế trong lĩnh vực khoa học và công nghệ thông tin lượng tử (quantum information science and technology). Số tiền đầu tư toàn cầu vào lĩnh vực này đã vượt mức 40 tỷ USD, đến từ cả nguồn ngân sách chính phủ và khu vực tư nhân. Mặc dù so với đầu tư cho AI vẫn còn khoảng cách lớn, dòng vốn cho nghiên cứu lượng tử đang không ngừng tăng. Trung Quốc đã công bố chi hơn 15 tỷ USD trong vòng 5 năm; Hoa Kỳ ban hành Đạo luật Sáng kiến Lượng tử Quốc gia (National Quantum Initiative) năm 2018 và dành khoảng 3,7 tỷ USD cho các dự án công khai (chưa kể ngân sách thuộc lĩnh vực quốc phòng). Các nước khác như Nhật Bản, Liên minh châu Âu, Anh, Úc… cũng dốc sức theo đuổi mục tiêu tạo ra những cỗ máy tính lượng tử có khả năng xử lý vượt xa máy tính cổ điển.
Dưới đây, chúng ta sẽ tìm hiểu vì sao công nghệ lượng tử lại trở thành “đường đua” chiến lược, nó có thể định hình tương lai kinh tế, quân sự ra sao, cũng như những thách thức và cơ hội mà nó đem lại cho nhân loại.
Tổng quan về cuộc cạnh tranh lượng tử
Cùng với AI, công nghệ lượng tử được xem là trụ cột tiếp theo của cuộc cách mạng số, hứa hẹn “lập trình” lại hoàn toàn cách con người giải các vấn đề phức tạp. Ý tưởng về máy tính lượng tử không phải mới xuất hiện gần đây: vào năm 1981, nhà vật lý Richard Feynman đã đề xuất ý tưởng chế tạo một cỗ máy tính theo đúng quy luật cơ học lượng tử, để “mô phỏng” chính xác các hiện tượng ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử.
Kể từ đó, trải qua bốn thập kỷ, máy tính cổ điển (classical computers) liên tục phát triển theo mô hình bán dẫn (transistor), tuân theo luật Moore: số lượng bóng bán dẫn trên mỗi vi mạch tăng gấp đôi cứ sau khoảng hai năm. Tuy nhiên, đã dần xuất hiện những bài toán mà ngay cả siêu máy tính hàng đầu cũng “bó tay”. Khi dữ liệu ngày càng lớn và phức tạp, những vấn đề như tối ưu hóa chuỗi cung ứng ở quy mô toàn cầu, mô phỏng phản ứng hóa học phức tạp hay mã hóa – giải mã dữ liệu với số bit cực cao trở nên vượt ngoài tầm khả thi của kiến trúc máy tính cổ điển.
Trong khi đó, máy tính lượng tử vận hành dựa trên qubit (quantum bit) – đơn vị thông tin có thể “chồng chập” cả hai trạng thái 0 và 1 cùng lúc (hay nói cách khác là tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái). Khả năng này, gọi là “superposition” (chồng chập lượng tử), mang lại tiềm năng xử lý song song theo cấp số nhân. Khi nhiều qubit được liên kết (entangled) và duy trì tính “gắn kết” (coherence), tốc độ tính toán và phạm vi giải quyết bài toán của hệ thống có thể tăng cực kỳ nhanh. Tuy nhiên, tính nhạy cảm của qubit trước môi trường (nhiệt độ, dao động, nhiễu…) lại đặt ra thách thức rất lớn. Các “cỗ máy” lượng tử đòi hỏi phải hoạt động ở môi trường cực lạnh, gần như -273 độ C (nhiệt độ không tuyệt đối), hoặc dùng kỹ thuật bẫy ion, quang tử… để duy trì độ ổn định của qubit.
Những “đường đua” song song
Khái niệm “cuộc đua lượng tử” không chỉ giới hạn ở máy tính lượng tử, mà còn bao gồm:
- Thông tin lượng tử và bảo mật (quantum communications): Trung Quốc đã sớm đi đầu trong truyền thông lượng tử, phát triển vệ tinh Micius để tiến hành liên lạc lượng tử an toàn. Nhiều nhà khoa học tin rằng kỹ thuật khóa lượng tử có thể “bất khả xâm phạm” bởi các phương pháp tấn công truyền thống.
- Cảm biến lượng tử (quantum sensing): Ứng dụng lượng tử trong các thiết bị đo lường và phát hiện chính xác cao (từ y tế, địa vật lý đến quân sự).
Nhưng điểm tập trung lớn nhất vẫn là máy tính lượng tử: nếu được phát triển đến mức đủ mạnh, nó có thể giải mã các thuật toán mã hóa hiện tại, dẫn đến xáo trộn lớn về an ninh mạng, bí mật quân sự, kinh tế. Ngược lại, nó cũng mở ra cơ hội mô phỏng các hiện tượng tự nhiên, tối ưu hóa quy trình nghiên cứu dược phẩm, vật liệu mới và nhiều lĩnh vực kinh tế khác.
Các ứng dụng máy tính lượng tử
Trước khi máy tính lượng tử đủ sức phá vỡ các hệ thống mã hóa hiện đại, nó có thể tạo ra những biến đổi đáng kể trong nhiều lĩnh vực. Các ứng dụng nổi bật bao gồm:
- Hóa học và Vật liệu
Nghiên cứu hóa học thường liên quan đến mô phỏng hành vi của phân tử, phản ứng hóa học. Máy tính cổ điển muốn mô phỏng phân tử phức tạp cỡ hàng trăm nguyên tử là nhiệm vụ gần như bất khả thi. Máy tính lượng tử, với lợi thế mô phỏng “nguyên bản” các hiệu ứng lượng tử, có thể giúp chế tạo vật liệu mới, xúc tác mới một cách chính xác hơn nhiều.
Ví dụ điển hình là phản ứng cố định đạm (nitrogen fixation) trong sản xuất phân bón, vốn tiêu tốn khoảng 2% năng lượng toàn thế giới. Tự nhiên có chất xúc tác FeMoco hiệu quả hơn nhiều so với quy trình công nghiệp, nhưng cơ chế hoạt động của phân tử này quá phức tạp với máy tính thông thường. Máy tính lượng tử có thể giúp giải đáp bí ẩn này, mở ra hướng tiết kiệm năng lượng khổng lồ cho nhân loại. - Dược phẩm
Phát triển thuốc mới đòi hỏi mô phỏng tác động của phân tử dược chất lên enzyme, protein trong cơ thể. Một ví dụ là enzyme cytochrome P450, liên quan đến cách cơ thể người chuyển hóa thuốc. Với khả năng mô phỏng chính xác, máy tính lượng tử có thể rút ngắn quá trình phát hiện và thử nghiệm thuốc, cho phép cá nhân hóa liều lượng và điều trị bệnh hiệu quả hơn. - Năng lượng và fusion
Bài toán điều khiển phản ứng nhiệt hạch (nuclear fusion) để tạo ra năng lượng sạch, ổn định là niềm hy vọng của tương lai. Nhưng mô phỏng plasma và các biến thiên vật lý liên quan đến nhiệt hạch là cực kỳ phức tạp. Máy tính lượng tử có thể trở thành công cụ cần thiết để giải bài toán này, giúp loài người tiến gần hơn tới việc thu được năng lượng hạt nhân sạch. - Tối ưu hóa (Optimization)
Tối ưu hóa xuất hiện ở khắp mọi nơi: từ lập lịch vận chuyển, quản lý kho, đến quản lý danh mục đầu tư tài chính. Các bài toán này có thể có vô số biến, và máy tính cổ điển mất rất nhiều thời gian để tìm nghiệm tối ưu. Trong khi đó, nhiều thuật toán lượng tử đã chứng minh khả năng giải tối ưu hóa nhanh hơn đáng kể so với cách truyền thống. Nếu triển khai trên quy mô lớn, lợi ích kinh tế và giảm thiểu năng lượng tiêu thụ sẽ rất đáng kể. - Hỗ trợ AI
AI hiện nay phần lớn chạy trên máy tính cổ điển, xử lý dữ liệu văn bản, hình ảnh, âm thanh khổng lồ. Song, nếu AI cần làm việc với “dữ liệu lượng tử” (mô tả trạng thái vật lý, phân tử…) thì máy tính cổ điển gần như “nghẹt thở”. Máy tính lượng tử huấn luyện trực tiếp trên dữ liệu lượng tử có thể rút ngắn thời gian học và tăng hiệu quả đáng kể. Bên cạnh đó, các mô hình ngôn ngữ lớn (LLM) hay transformer cũng đang được dùng để thiết kế, tối ưu hóa phần cứng và phần mềm lượng tử, giúp cải thiện tốc độ phát triển công nghệ này.
Như vậy, dù khả năng phá mã (code-breaking) là lý do khiến giới an ninh đặc biệt lưu tâm, song các ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp, năng lượng, y tế… hoàn toàn có thể xuất hiện sớm hơn và mang lại ảnh hưởng to lớn cho nền kinh tế.
Những thách thức kỹ thuật
Phát triển máy tính lượng tử không hề dễ dàng. Các thí nghiệm hiện nay sử dụng nhiều công nghệ khác nhau để tạo ra qubit: bẫy ion (ion trap), siêu dẫn (superconducting), quang tử (photonic), nguyên tử trung hòa (neutral atom)… Mỗi cách đều có ưu nhược điểm riêng về độ ổn định, khả năng “lồng ghép” (entangling), chi phí và tính khả thi sản xuất.
Máy tính lượng tử đòi hỏi:
- Môi trường cực kỳ tinh khiết và ổn định: Hệ siêu dẫn cần nhiệt độ gần 0 K (tức -273,15°C) để hạn chế nhiễu. Ion trap hay quang tử cũng đòi hỏi thí nghiệm có độ chính xác cao, chống rung, chống nhiễu.
- Quy trình chế tạo phức tạp: Các công ty như Google, IBM, IonQ, QuEra… phải đầu tư nhà máy, phòng lab với thiết bị bán dẫn, laser, tủ lạnh cryogenic, mạch điện tử đặc chủng.
- Thuật toán và kỹ thuật sửa lỗi (error correction): Qubit rất “mỏng manh”, dễ mất trạng thái chồng chập khi bị tương tác với môi trường. Để chạy các tính toán lớn, ta cần một nhóm qubit “vật lý” hỗ trợ tạo nên một qubit “logic” ổn định. Do đó, số qubit thực tế phải lớn hơn nhiều so với con số qubit logic có thể sử dụng.
Theo lộ trình (roadmap) mà Google công bố năm 2018, họ đề ra 6 cột mốc để đạt “máy tính lượng tử toàn diện” (full-scale quantum computer), bao gồm:
- Chứng minh một bài toán mà máy tính lượng tử vượt trội máy tính cổ điển (quantum supremacy) – Google đã công bố làm được năm 2019.
- Tạo qubit logic mẫu (prototype).
- Tạo qubit logic hoàn chỉnh (fault-tolerant).
- Xây dựng cổng logic giữa nhiều qubit logic.
- Chạy được 100 qubit logic phục vụ mô phỏng lượng tử ở quy mô nhỏ.
- Chạy được 1.000 qubit logic cho các bài toán phức tạp hơn.
Chiếc chip Willow mà Google giới thiệu tháng 12/2024 có thể giải một bài toán trong vài phút, trong khi siêu máy tính mạnh nhất thế giới phải mất “10^25 năm” (thời gian khổng lồ) để thực hiện. Tuy nhiên, để đến được cấp độ phá mã RSA (cần hàng triệu qubit logic), chúng ta phải tăng số qubit lên khoảng 40.000 lần và giảm sai số tới 5 lần so với công nghệ hiện hành. Nhiều ước tính cho rằng sớm nhất phải đến cuối thập niên 2030, cỗ máy lượng tử đủ sức phá mã mới xuất hiện.
Lợi ích và nguy cơ quốc gia
Khả năng phá vỡ các hệ mã hóa hiện tại là “nỗi lo” lớn nhất của các chính phủ. Hầu hết hệ thống bảo mật và giao dịch điện tử đang dùng các chuẩn mã hóa (ví dụ RSA) dựa trên việc khó phân tích thừa số của một số rất lớn. Năm 1994, nhà toán học Peter Shor chứng minh về mặt lý thuyết, một máy tính lượng tử có thể “bẻ khóa” RSA trong thời gian hữu hạn. Điều này dẫn đến nguy cơ gián điệp, đánh cắp dữ liệu, xâm phạm bí mật quốc phòng, tài chính…
Mặc dù các chuyên gia dự đoán phải hơn 10 năm nữa mới có thể xây dựng máy tính lượng tử quy mô đủ lớn để bẻ khóa thực sự, nhưng nhiều chính phủ và tổ chức tội phạm đã bắt đầu “lưu trữ dữ liệu để chờ ngày giải mã” (store now, decrypt later). Một khi công nghệ trưởng thành, họ sẽ giải mã khối dữ liệu đã thu thập. Đó là lý do các cơ quan như Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) ráo riết nghiên cứu mã hóa “chống lượng tử” (quantum-resistant cryptography) nhằm đối phó từ sớm. Gần đây, NIST công bố 3 thuật toán mã hóa mới, hy vọng có khả năng miễn nhiễm trước các phương pháp giải mã của máy tính lượng tử.
Tuy nhiên, chính phủ và doanh nghiệp thường rất chậm triển khai chuẩn mã hóa mới. Quá trình thay đổi hạ tầng bảo mật, cập nhật phần cứng và phần mềm kéo dài nhiều năm. Do đó, việc chuẩn bị sớm cho kỷ nguyên hậu lượng tử (post-quantum era) được xem là nhiệm vụ cấp bách.
Nguy cơ sử dụng trái phép
Ngoài bẻ khóa, máy tính lượng tử có thể bị dùng để mô phỏng và tạo ra vũ khí hóa học hoặc sinh học mới, tối ưu việc điều khiển máy bay không người lái (drone), thiết kế chiến thuật tấn công… Điều này đặt ra câu hỏi: làm sao kiểm soát một công nghệ nhiều tiềm năng đến vậy? Giống như AI, quyền kiểm soát máy tính lượng tử cần được bàn thảo, quy định rõ ràng. Việc này đòi hỏi các khuôn khổ pháp lý, hợp tác quốc tế và sự tham gia của xã hội dân sự để đảm bảo công nghệ được sử dụng vì mục đích tích cực, giảm thiểu nguy cơ lạm dụng.
Nếu Hoa Kỳ, châu Âu và các nước dân chủ khác không chủ động dẫn dắt và thiết lập nguyên tắc, có thể Trung Quốc hoặc những chế độ “đóng kín” sẽ chiếm ưu thế và sử dụng công nghệ lượng tử theo cách gây bất ổn cho trật tự toàn cầu.
Hợp tác và chuỗi cung ứng
Xây dựng máy tính lượng tử đầy đủ chức năng là nhiệm vụ vượt ngoài khả năng của một tổ chức hay quốc gia đơn lẻ. Từ phần cứng (chip lượng tử, tủ lạnh cryogenic, linh kiện laser, mạch điều khiển) đến phần mềm và vật liệu, cần sự tích hợp của hàng nghìn chi tiết kỹ thuật. Đó là chưa kể lực lượng nhân sự cần cho nghiên cứu – phát triển, sản xuất, thử nghiệm và thương mại hóa.
Nhiều nước áp dụng cách tiếp cận “sản xuất chip lượng tử trong nước” để bảo vệ bí quyết công nghệ. Ví dụ: Google chế tạo chip ở Hoa Kỳ, Oxford Quantum Circuits (OQC) ở Anh, Alice & Bob ở Pháp. Mỗi công ty thường giữ “lõi” R&D quốc gia, nhưng đồng thời vẫn hợp tác quốc tế để tiếp cận chuyên gia, trang thiết bị tối tân. Các giai đoạn khác nhau như chế tạo, thử nghiệm, đóng gói, viết phần mềm, triển khai… có thể diễn ra ở nhiều nước.
Chuỗi cung ứng máy tính lượng tử cần đến:
- Thiết bị bán dẫn cao cấp (sản xuất ở Mỹ, EU, Nhật, Hàn Quốc, Đài Loan…).
- Tủ lạnh siêu lạnh (một số hãng châu Âu, Mỹ sản xuất).
- Hệ thống laser, quang học (Israel, Nhật, EU, Mỹ).
- Dây dẫn, mạch kiểm soát chuyên dụng (các công ty ở nhiều quốc gia).
Để nắm quyền chủ động, các nước dân chủ phải thiết lập chuỗi cung ứng “an toàn”, hạn chế để công nghệ rơi vào tay các chế độ độc tài. Đây cũng là bài học từ lĩnh vực bán dẫn, nơi Hoa Kỳ và đồng minh đang áp đặt lệnh cấm xuất khẩu công nghệ chip tiên tiến cho Trung Quốc.
Nhân lực và chính sách “mở cửa”
Máy tính lượng tử đòi hỏi đội ngũ chuyên gia về vật lý, toán học, khoa học máy tính, kỹ thuật điện tử, hóa học… rất sâu. Không một nước nào “độc chiếm” được toàn bộ tài năng. Vì vậy, hợp tác liên quốc gia là xu thế tất yếu. Hoa Kỳ gần đây đã sửa đổi quy định xuất nhập khẩu, miễn trừ một số thủ tục cấp phép cho chuyên gia nước ngoài có kỹ năng cao để làm việc trong các dự án lượng tử. Đây là tín hiệu tích cực, giúp doanh nghiệp thu hút nhân tài toàn cầu.
Cùng lúc đó, các tổ chức như DARPA (Mỹ) hay Ủy ban châu Âu đang mở các chương trình thi đua, tài trợ để đẩy mạnh nghiên cứu, tạo hệ sinh thái nhà phát triển (developer ecosystem) cho lượng tử. Những cuộc thi như XPRIZE Quantum Applications hay các dự án mã nguồn mở có thể thúc đẩy sự sáng tạo, giúp tìm ra ý tưởng đột phá trong thiết kế thuật toán lượng tử.
Về lâu dài, nhiều chuyên gia đánh giá việc phát triển máy tính lượng tử có thể trở thành một “chiến dịch tương tự chương trình chinh phục Mặt Trăng hoặc giải mã bộ gene người”, đòi hỏi tầm nhìn và nguồn lực từ cả chính phủ lẫn khu vực tư nhân.
Tương lai lượng tử: tương lai các nước dân chủ
Câu hỏi đặt ra là: liệu công nghệ lượng tử sẽ được khai thác để củng cố nền dân chủ, mang lại thịnh vượng chung, hay rơi vào tay các chế độ “đóng kín” với mục đích thống trị? Dưới đây là một số hướng đi để đảm bảo tương lai tích cực:
- Tăng cường đầu tư và hợp tác đa phương
Hoa Kỳ, EU, Nhật Bản, Úc, Anh… nên tiếp tục hợp tác phát triển tiêu chuẩn mã hóa hậu lượng tử, chia sẻ kết quả nghiên cứu quan trọng, thiết lập cơ chế tài trợ chung để đẩy nhanh tiến độ. Điều này không chỉ giúp cạnh tranh với Trung Quốc, mà còn tạo mạng lưới an ninh công nghệ toàn cầu. - Xây dựng khung pháp lý và kiểm soát xuất khẩu
Giống như kiểm soát vũ khí hoặc công nghệ hạt nhân, cần cơ chế kiểm soát những linh kiện và thiết bị cốt lõi cho máy tính lượng tử. Việc này ngăn chặn khả năng ứng dụng trong lĩnh vực quân sự, gián điệp quy mô lớn của các nước độc tài. Tất nhiên, cần làm khéo léo để vẫn khuyến khích nghiên cứu mở và cạnh tranh lành mạnh. - Đào tạo nguồn nhân lực
Lập kế hoạch dài hạn cho giáo dục: từ bậc đại học, sau đại học đến đào tạo tại chỗ (on-the-job training). Khuyến khích di chuyển chuyên gia, trao đổi nghiên cứu, thành lập các trung tâm lượng tử chung (joint quantum centers) giữa các nước đồng minh. - Chuẩn bị cơ sở hạ tầng bảo mật
Xây dựng lộ trình chuyển đổi hệ thống mã hóa, nâng cấp thiết bị mạng lên chuẩn “chống lượng tử” càng sớm càng tốt, tránh bị động khi máy tính lượng tử bẻ khóa trở thành hiện thực. - Khuyến khích sáng tạo ứng dụng dân sự
Cung cấp gói tài trợ hoặc cơ chế hỗ trợ cho các nghiên cứu ứng dụng lượng tử vào y tế, năng lượng sạch, môi trường, sản xuất công nghiệp. Các lợi ích kinh tế và xã hội từ những ứng dụng này là cơ sở để công chúng ủng hộ phát triển lượng tử, thay vì chỉ nhìn thấy mặt rủi ro.
Nếu các nước dân chủ không có kế hoạch hành động mạnh mẽ và để Trung Quốc hay một số quốc gia đóng kín vượt lên, họ có thể đánh mất tầm ảnh hưởng chiến lược, mất cơ hội định hình quy tắc vận hành và sử dụng an toàn công nghệ lượng tử.
Kết luận, máy tính lượng tử có tiềm năng thay đổi cục diện kinh tế, khoa học, y tế, năng lượng và cả an ninh quốc phòng. Dù còn nhiều trở ngại kỹ thuật, tiến bộ trong vài năm qua cho thấy chúng ta đang tiến nhanh hơn dự đoán ban đầu. Như AI, công nghệ lượng tử hứa hẹn mở ra những giải pháp ưu việt nhưng cũng đe dọa tạo ra đột biến về sức mạnh cho ai nắm giữ nó.
Để “chiến thắng” trong cuộc đua lượng tử, các nước dân chủ cần liên kết, đầu tư dài hạn, chia sẻ nguồn lực, đồng thời xây dựng nền tảng pháp lý vững chắc. Đây là cuộc chạy đua nhiều thập kỷ, đòi hỏi kiên trì và tầm nhìn chiến lược, bởi kết quả cuối cùng không chỉ quyết định lợi thế kinh tế mà còn tương lai an ninh và giá trị xã hội mà chúng ta muốn duy trì.
Máy tính lượng tử có thể trở thành “chìa khóa” để giải mã những vấn đề hóc búa nhất của khoa học và phát triển. Nhưng nếu thiếu cơ chế quản trị phù hợp, nó cũng có thể gây chấn động trật tự thế giới. Hành trình này đòi hỏi sự nỗ lực của nhiều thế hệ – từ kỹ sư, nhà khoa học, nhà quản lý, đến toàn thể cộng đồng quốc tế – để đảm bảo rằng công nghệ lượng tử được dùng nhằm thúc đẩy tiến bộ và hòa bình, thay vì làm trầm trọng thêm chia rẽ hay xung đột.
