Ứng dụng AI vào máy tính lượng tử

Điện toán lượng tử hỗ trợ tăng cường AI

Điện toán lượng tử hứa hẹn sẽ nâng cao đáng kể khả năng và độ chính xác của AI, mở ra thế hệ tiếp theo của mô hình AI và máy học. Chẳng hạn, nó có thể tăng tốc các thuật toán học máy cổ điển, cho phép xử lý các tập dữ liệu lớn hơn nhanh hơn. Điện toán lượng tử cũng có thể cho phép phát triển các thuật toán học máy mới được thiết kế đặc biệt cho dữ liệu lượng tử và hệ thống lượng tử.

Thách thức đối với máy tính lượng tử áp dụng AI

Khi máy tính lượng tử phát triển, sẽ có nguy cơ tiềm ẩn khi kết hợp khả năng tính toán lượng tử và AI để tăng cường các cuộc tấn công vào hệ thống mật mã và làm tổn hại đến tính bảo mật của dữ liệu nhạy cảm được bảo vệ bởi các thuật toán này. Các cuộc tấn công bất lợi chống lại các hệ thống được hỗ trợ bởi AI gây ra một mối đe dọa khác, trong đó việc thao túng dữ liệu hoặc thuật toán có thể đánh lừa hoặc khai thác các hệ thống AI lượng tử, dẫn đến kết quả sai sót hoặc độc hại. Việc thu thập và sử dụng các tập dữ liệu lớn cho thuật toán AI trong điện toán lượng tử làm dấy lên mối lo ngại về quyền riêng tư dữ liệu cũng như nguy cơ lạm dụng hoặc truy cập trái phép vào dữ liệu lượng tử nhạy cảm. Việc tích hợp AI vào điện toán lượng tử có thể bị cản trở bởi các vấn đề tương thích giữa các nền tảng phần cứng và phần mềm khác nhau, đòi hỏi phải phát triển các tiêu chuẩn và giao thức cho khả năng tương tác.

Các hệ thống máy tính ngày nay, mặc dù đã được cải tiến đáng kể từ thập kỷ này sang thập kỷ khác, nhưng chỉ có thể giải quyết các vấn đề ở một quy mô và độ phức tạp nhất định. Những vấn đề phức tạp hơn đòi hỏi sức mạnh tính toán tiên tiến và máy tính lượng tử hứa hẹn sẽ mang lại sức mạnh đó.

Máy tính lượng tử

Máy tính cổ điển dựa vào các bit riêng lẻ để lưu trữ và xử lý thông tin ở trạng thái nhị phân 0 và 1. Máy tính lượng tử dựa vào bit lượng tử (qubit) để xử lý thông tin; khi làm như vậy, họ sử dụng hai tính chất cơ học lượng tử quan trọng: sự chồng chất (superposition) và sự liên kết (entanglement).

Thuật toán chồng chất là khả năng của một hệ lượng tử ở nhiều trạng thái cùng một lúc. Qubit vẫn sử dụng hệ thống nhị phân 0 và 1, nhưng thuộc tính chồng chất cho phép chúng biểu thị số 0, số 1 hoặc cả hai cùng một lúc. Thay vì phân tích chuỗi 0 và 1 theo trình tự, hai qubit ở trạng thái chồng chất có thể biểu thị bốn kịch bản cùng lúc, do đó giảm thời gian cần thiết để xử lý tập dữ liệu.

Thuật toán liên kết là mối tương quan chặt chẽ giữa các hạt lượng tử, cho phép chúng liên kết chặt chẽ với nhau một cách hoàn hảo, ngay cả khi cách nhau một khoảng cách rất xa. Khi hai qubit bị liên kết, giữa chúng có một mối liên hệ đặc biệt: Nếu đo từng qubit riêng lẻ, kết quả của phép đo có thể là 0 hoặc 1; nhưng kết quả của phép đo trên một qubit sẽ luôn tương quan với phép đo trên qubit kia. Và điều này luôn xảy ra ngay cả khi các hạt cách nhau một khoảng cách lớn.

Trong khi máy tính lượng tử có thể hoạt động với các thuật toán cổ điển, thì thuật toán lượng tử rõ ràng là phù hợp hơn vì chúng có thể giải quyết một số vấn đề nhanh hơn. Một ví dụ về thuật toán lượng tử là thuật toán Grover, thuật toán này có thể tìm kiếm thông qua cơ sở dữ liệu phi cấu trúc hoặc danh sách không có thứ tự nhanh hơn đáng kể so với bất kỳ thuật toán cổ điển nào.

Ứng dụng của máy tính lượng tử

Sức mạnh chưa từng có của máy tính lượng tử khiến chúng trở nên hữu ích trong nhiều tình huống mà máy tính cổ điển sẽ cần một khoảng thời gian không thực tế để giải quyết vấn đề. Ví dụ, chúng có thể mô phỏng các hệ lượng tử, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu chi tiết về sự tương tác giữa các nguyên tử và phân tử. Ngược lại, điều này có thể giúp thiết kế các vật liệu mới (ví dụ: thiết bị điện tử, vật liệu hóa học) hoặc các loại thuốc mới. Vì chúng nhanh hơn đáng kể so với máy tính cổ điển, máy tính lượng tử cũng sẽ hiệu quả hơn nhiều trong việc tìm kiếm trong không gian các giải pháp tiềm năng để tìm ra giải pháp tốt nhất cho một vấn đề nhất định.

Do đó, máy tính lượng tử có thể mở đường cho những đổi mới vượt trội trong y học và chăm sóc sức khỏe, cho phép khám phá ra các loại thuốc mới để cứu sống hoặc các phương pháp AI mới để chẩn đoán bệnh. Họ cũng có thể hỗ trợ việc khám phá các vật liệu mới, phát triển các phương pháp an ninh mạng nâng cao, xây dựng các hệ thống dự báo thời tiết và kiểm soát giao thông hiệu quả hơn nhiều so với truyền thống.

Giao tiếp lượng tử và mật mã

Ngoài các máy tính lượng tử mạnh mẽ, công nghệ lượng tử còn có ứng dụng trong các lĩnh vực khác, chẳng hạn như mật mã lượng tử và giao tiếp lượng tử, cả hai đều có mối liên hệ chặt chẽ với nhau.

Mật mã lượng tử là một phương pháp được sử dụng để truyền thông tin được mã hóa, bảo mật. Không giống như các dạng mật mã khác, nó đảm bảo tính bảo mật theo các định luật vật lý; nó không phụ thuộc vào các thuật toán toán học và việc trao đổi khóa không an toàn. Giao tiếp lượng tử dựa trên mật mã lượng tử hiện được coi là có độ an toàn cao, khiến không thể nghe lén hoặc chặn. Ở đây, ứng dụng được biết đến nhiều nhất là phân phối khóa lượng tử (QKD), dựa trên việc sử dụng các hiệu ứng cơ học lượng tử để thực hiện các nhiệm vụ mã hóa.

Mật mã an toàn lượng tử

Một mối quan tâm lớn liên quan đến những tiến bộ trong điện toán lượng tử là khi được phổ biến rộng rãi, máy tính lượng tử sẽ có thể phá vỡ các cơ chế mã hóa hiện tại. Đây là lý do tại sao hiện đang tiến hành để phát triển các thuật toán và tiêu chuẩn cho mật mã an toàn lượng tử. Các cơ quan thiết lập tiêu chuẩn đặc biệt tích cực trong lĩnh vực này, ở cấp quốc gia, khu vực và quốc tế (ví dụ bao gồm Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Hoa Kỳ, Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu và Liên minh Viễn thông Quốc tế).

Hiện mật mã lượng tử đang được thực hiện bởi các viện nghiên cứu và các  nhà học thuật cũng như các công ty công nghệ lớn. Ví dụ: Google đã thông báo vào tháng 11/2022 họ đã bảo vệ hoạt động liên lạc nội bộ bằng mật mã hậu lượng tử dựa trên giao thức mã hóa khi truyền, giao thức Bảo mật vận chuyển lớp ứng dụng (ALTS - Application Layer Transport Security), trong khi Signal tiết lộ rằng họ đang đầu tư vào nghiên cứu để cập nhật giao thức truyền thông của nó cho mật mã an toàn lượng tử. Các nhà khoa học tại Đại học Heriot-Watt ở Anh và Đại học Geneva ở Thụy Sĩ đã tiến hành nghiên cứu các mạng truyền thông nhắm mục tiêu trong thời kỳ hậu lượng tử và đề xuất một cơ chế liên kết lượng tử để xử lý nhiễu và suy hao trên khoảng cách xa, mở ra cơ hội cánh cửa dẫn đến “mạng lượng tử thực tế với hình thức bảo mật cao nhất”.

Siêu lượng tử

Máy tính lượng tử đã tồn tại nhưng sức mạnh của chúng vẫn còn khá hạn chế và một số công ty công nghệ đang liên tục nỗ lực cải thiện sức mạnh này. Ví dụ: vào tháng 10/2019, Google tuyên bố rằng họ đã đạt được 'ưu thế lượng tử' với chip điện toán lượng tử 53 qubit, mất 200 giây để thực hiện một phép tính cụ thể mà máy tính cổ điển phải mất 10.000 năm mới hoàn thành. IBM đã sớm phản đối tuyên bố đó, lập luận rằng vấn đề được giải quyết bằng máy tính của Google cũng có thể được giải quyết chỉ trong 2,5 ngày thông qua một kỹ thuật cổ điển khác. Vào tháng 11 năm 2022, chính IBM tuyên bố họ đã phát triển Ospray, bộ xử lý lượng tử 433 qubit. Chúng ta có thể mong đợi các công ty công nghệ sẽ khám phá ra những cải tiến hơn nữa về sức mạnh xử lý, cho phép máy tính lượng tử giải quyết các vấn đề mà máy tính cổ điển không thể làm được.

Trong khi cuộc đua này đang diễn ra, sự cường điệu hóa xung quanh công nghệ này cũng cần được xem xét một cách thận trọng. Như Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) giải thích, siêu lượng tử là một “khái niệm mơ hồ”. Trước hết, chúng ta vẫn chưa có được những chiếc máy tính lượng tử có thể thực hiện được những công việc quan trọng; Tạp chí Wired ước tính rằng các máy tính lượng tử có đầy đủ chức năng sẽ cần ít nhất hàng nghìn qubit để giải quyết các vấn đề trong đời thực (các máy tính lượng tử hiện tại hoạt động với ít hơn 100 qubit vẫn còn thời gian mới trở thành hiện thực như vậy).

Ngoài ra, máy tính lượng tử dễ mắc nhiều lỗi hơn máy tính cổ điển và như đã giải thích, nguy cơ mất kết hợp khiến việc duy trì bản chất lượng tử của qubit trở nên rất khó khăn. Máy tính lượng tử càng có nhiều qubit thì càng khó vượt qua những thách thức như vậy. Hơn nữa, máy tính lượng tử không thể đơn giản tăng tốc quá trình giải quyết bất kỳ nhiệm vụ nào được giao cho nó; các nhà khoa học giải thích rằng, đối với một số tính toán nhất định, máy tính lượng tử thậm chí có thể chậm hơn máy tính cổ điển. Thêm vào đó, cho đến nay chỉ có một số thuật toán hạn chế được phát triển để máy tính lượng tử rõ ràng có ưu thế hơn máy tính cổ điển.

Sáng kiến của chính phủ và các chính sách

Những hứa hẹn mà điện toán lượng tử nắm giữ cũng khiến nó trở thành chủ đề của một cuộc chạy đua đang diễn ra không chỉ giữa các công ty công nghệ mà còn giữa các quốc gia. Hoa Kỳ và Trung Quốc hiện đang dẫn đầu, trong khi EU, Nhật Bản và các nước khác đang theo sát.

Tại Mỹ, Đạo luật Sáng kiến ​​Lượng tử Quốc gia (NQI) đã được thông qua vào tháng 12/2018, thiết lập một “chương trình liên bang nhằm tăng tốc nghiên cứu và phát triển lượng tử vì an ninh kinh tế và quốc gia của Hoa Kỳ”. Đạo luật cho phép phân bổ hơn 1 tỷ USD để hỗ trợ nghiên cứu và phát triển (R&D) công nghệ lượng tử, bao gồm cả điện toán lượng tử. Vào tháng 3/2019, Văn phòng Chính sách Khoa học và Công nghệ của Nhà Trắng đã thành lập Văn phòng Điều phối Lượng tử Quốc gia để “làm việc với các cơ quan liên bang trong việc phát triển và duy trì các chương trình lượng tử, kết nối với các bên liên quan cho phép truy cập và sử dụng cơ sở hạ tầng R&D”.

Tại Trung Quốc đang phân bổ nguồn tài chính đáng kể cho các trung tâm nghiên cứu lượng tử ở trường đại học và đang xây dựng Phòng thí nghiệm quốc gia về khoa học thông tin lượng tử (với khoản đầu tư khoảng 1 tỷ USD). Đối với R&D, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một vệ tinh có thể gửi tin nhắn được mã hóa lượng tử giữa các địa điểm ở xa và mạng cực kỳ an toàn trên mặt đất giữa Bắc Kinh và Thượng Hải cho phép truyền dữ liệu nhạy cảm với sự trợ giúp của khóa mã hóa lượng tử. Trong một ví dụ khác, các nhà khoa học đã phát triển một hệ thống liên lạc trực tiếp an toàn lượng tử mới có thể giao tiếp ở tốc độ 22,4 Kbps qua sợi quang thương mại dài khoảng 30 km và ở tốc độ 0,54 bps qua sợi quang tổn hao cực thấp đối với 100 km.

Tại Châu Âu cũng đang tham gia “cuộc đua” với các sáng kiến ​​như Flagship Công nghệ lượng tử (liên quan đến khoản đầu tư 1 tỷ euro) và phát triển máy tính lượng tử Châu Âu cũng như cơ sở hạ tầng truyền thông lượng tử trên khắp châu Âu. Nga cũng vậy, nơi chính phủ đã công bố vào tháng 12/2019 khoản đầu tư khoảng 790 triệu USD vào nghiên cứu lượng tử trong 5 năm tiếp theo.

Ngoài cuộc chạy đua này, sự tiến bộ trong điện toán lượng tử cũng đang mở đường cho các vấn đề chính sách mới. Như đã đề cập ở trên, một mối lo ngại trước mắt là máy tính lượng tử có thể được sử dụng để phá vỡ các hệ thống mã hóa được sử dụng ngày nay để bảo mật hoạt động mua sắm và ngân hàng trực tuyến chẳng hạn. Mặc dù bộ xử lý lượng tử chưa có sức mạnh như vậy nhưng tiềm năng là có thật và các chính phủ đã bắt đầu xem xét vấn đề này. Ví dụ: ở Hoa Kỳ, một đạo luật đã được thông qua vào tháng 12/2022 yêu cầu các cơ quan liên bang chuẩn bị chuyển sang mật mã bảo mật lượng tử.

Tài liệu tham khảo

[1] S. Abramsky, High-level methods for quantum computation and information, in: Proceedings of the 19th Annual IEEE Symposium on Logic in Computer Science, pp. 410–414.

[2] D. Aerts, M. Czachor Quantum aspects of semantic analysis and symbolic artificial intelligence Journal of Physics A: Mathematical and General, 37 (2004), pp. L123-L132.

[3] P.A. Benioff, The computer as a physical system: A microscopic quantum mechanical Hamiltonian model of computers as represented by Turing machines Journal of Statistical Physics, 22 (1980), pp. 563-591.

TS. Hồ Đức Chung