An toàn thông tin

Điện toán lượng tử và mối lo ngại với an ninh trực tuyến

ThS. Nguyễn Diệu Linh - Khoa Điện – Điện tử, Đại học Giao thông Vận tải • 19/11/2023 06:35

Máy tính lượng tử có thể giải quyết một số loại vấn đề nhanh hơn máy tính cổ điển nhờ tận dụng các hiệu ứng cơ học lượng tử, chẳng hạn như trạng thái chồng chập và giao thoa lượng tử.

“
Tóm tắt:
- Ưu điểm của máy tính tượng tử: Tốc độ thực hiện các phép tính nhanh.
- Tiềm năng và kỳ vọng:
+ Nhiều chính phủ coi công nghệ lượng tử là một mục tiêu chiến lược.
+ Có thể giúp phát minh ra các vật liệu và thuốc mới, phát triển các chiến lược giao dịch tài chính thông minh
hơn, tạo ra các phương thức liên lạc mới an toàn.
- Mối lo ngại với an ninh trực tuyến: có thể bẻ khóa những phương thức mã hóa phổ biến nhất.

Một số ứng dụng cho thấy máy tính lượng tử có thể tăng tốc độ xử lý cho máy học (ML), tối ưu hóa và mô phỏng hệ thống vật lý. Các trường hợp sử dụng tiếp theo có thể là tối ưu hóa danh mục trong lĩnh vực tài chính hoặc mô phỏng hệ thống hóa học, giúp giải quyết nhiều vấn đề hiện tại mà ngay cả những siêu máy tính mạnh nhất trên thị trường cũng không thể thực hiện được.

Ưu điểm lớn nhất của máy tính tượng tử là tốc độ thực hiện các phép tính. Công nghệ lượng tử cho phép chúng ta xây dựng một hệ thống có thể thực hiện các thao tác mà cho dù là máy tính truyền thống tốt nhất cũng không thể mô phỏng trong bất kỳ khoảng thời gian hợp lý nào.

Máy tính lượng tử cũng có khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp hơn nhiều so với các máy tính thông thường và có thể chạy các mô phỏng có độ phức tạp cao. Tuy nhiên, máy tính lượng tử cũng còn nhiều hạn chế cần khắc phục mà điển hình là yêu cầu về môi trường hoạt động khắc nghiệt (gần độ không tuyệt đối) và tỷ lệ lỗi quá cao.

Bên trong máy tính lượng tử IBM 1 đã ngừng hoạt động © Charlie Bibby/FT (Nguồn: ig.ft.com)

Bit lượng tử (Qubit) là gì?

Các bit lượng tử (hay qubit) được biểu diễn bằng các hạt lượng tử. Việc điều khiển các qubit bởi các thiết bị điều khiển là cốt lõi của sức mạnh xử lý trong máy tính lượng tử. Qubit trong máy tính lượng tử tương tự như các bit trong máy tính truyền thống. Bộ xử lý của một máy truyền thống thực hiện tất cả công việc của mình bằng cách điều khiển các bit. Tương tự, bộ xử lý lượng tử thực hiện tất cả công việc bằng cách xử lý các qubit.

Vậy qubit khác với bit truyền thống như thế nào?

Đối với máy tính truyền thống, bit là một tín hiệu điện tử được bật hoặc tắt. Do đó, giá trị của bit truyền thống có thể là 1 (bật) hoặc 0 (tắt). Còn qubit được dựa trên các định luật của cơ học lượng tử nên nó có thể được đặt trong một trạng thái chồng chập (đồng thời là 1 và 0).

Có thể hình dung, nếu bit cổ điển là tiền xu, thì qubit vẫn là đồng xu đó nhưng đang tung lên không trung. Tại một số thời điểm, chúng sẽ hạ cánh bằng mặt sấp hoặc mặt ngửa, nhưng khi đang ở trên không, chúng có khả năng là mặt này hoặc mặt kia. Trong điện toán lượng tử, trạng thái “tung đồng xu” này được gọi là “chồng chập”.

Trong khi mỗi qubit ở trạng thái chồng chập, máy tính lượng tử có thể được coi là đang kiểm tra mọi khả năng đồng thời, thay vì từng khả năng một như máy tính cổ điển.

Ngay sau khi các qubit được đo lường giá trị, sẽ chỉ còn lại một kết quả, nhưng kết quả này không có nhiều khả năng đúng hơn một kết quả được chọn ngẫu nhiên. Vậy vấn đề là làm sao để kết quả này là kết quả cần tìm?

Để có được kết quả mong muốn, khi máy tính ở trạng thái lượng tử, các qubit có thể được sắp xếp theo cách tối đa hóa khả năng tìm ra câu trả lời đúng. Cơ sở toán học đằng sau việc sắp xếp này được gọi là "thuật toán lượng tử" và chúng được xem là phép thuật phức tạp ở trung tâm của điện toán lượng tử.

Với thuật toán phù hợp thì nhiệm vụ thường tốn thời gian là tìm mọi đường đi có thể không còn là vấn đề đối với máy lượng tử, việc kiểm tra đường đi ngắn nhất trong tất cả các con đường cũng trở nên tương đối dễ dàng.

Các thành phần của một máy tính lượng tử

Máy tính lượng tử bao gồm phần cứng và phần mềm, tương tự như máy tính truyền thống.

Phần cứng lượng tử

Phần cứng lượng tử gồm ba thành phần chính là: Mặt phẳng dữ liệu lượng tử; Mặt phẳng điều khiển và đo lường; Mặt phẳng bộ xử lý điều khiển và bộ xử lý máy chủ.

Mặt phẳng dữ liệu lượng tử là cốt lõi của máy tính lượng tử, bao gồm các qubit vật lý và các cấu trúc cần thiết để giữ chúng đúng vị trí.

Mặt phẳng điều khiển và đo lường sẽ chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số thành tín hiệu liên tục hoặc tín hiệu điều khiển sóng. Các tín hiệu liên tục này thực hiện các thao tác trên qubit trong mặt phẳng dữ liệu lượng tử.

Mặt phẳng bộ xử lý điều khiển thực hiện thuật toán lượng tử hoặc chuỗi thao tác. Bộ xử lý máy chủ tương tác với phần mềm lượng tử và cung cấp tín hiệu kỹ thuật số hoặc chuỗi bit truyền thống cho mặt phẳng điều khiển và đo lường.

Phần mềm lượng tử

Phần mềm lượng tử thực hiện các thuật toán lượng tử độc nhất bằng cách sử dụng các mạch lượng tử. Mạch lượng tử là một quy trình điện toán thường xuyên, xác định một loạt các thao tác logic lượng tử trên các qubit cơ bản. Các lập trình viên có thể sử dụng các công cụ và thư viện lập trình phần mềm khác nhau để viết mã các thuật toán lượng tử.

Bộ xử lý của máy tính lượng tử, nơi chứa các qubit © Charlie Bibby/FT (Nguồn: ig.ft.com)

Tiềm năng và kỳ vọng

Theo dữ liệu được tổng hợp bởi các nhà tư vấn quản lý McKinsey1, bất chấp sự suy thoái của lĩnh vực công nghệ trên diện rộng, các nhà đầu tư đã rót một khoản kỷ lục 2,35 tỷ đô la vào các công ty khởi nghiệp lượng tử trong năm 2022. Phần lớn trọng tâm của các nhà đầu tư là điện toán lượng tử, truyền thông và cảm biến.

Nhiều chính phủ coi công nghệ lượng tử là một mục tiêu chiến lược và đã tăng chi tiêu cho nghiên cứu và phát triển công nghệ này. Năm 2022, Mỹ đã cam kết thêm 1,8 tỷ đô la trong khi EU cam kết thêm 1,2 tỷ đô la. Vào tháng 3/2023, Vương quốc Anh đã khởi động chương trình 10 năm hứa hẹn sẽ đầu tư 2,5 tỷ bảng Anh vào lĩnh vực này. Nhưng những nỗ lực này đều bị lu mờ trước Trung Quốc - quốc gia đã công bố tổng đầu tư là15,3 tỷ đô la cho đến nay.

McKinsey ước tính bốn ngành bị tác động nhiều nhất bởi sự phát triển của điện toán lượng tử (gồm ô tô, hóa chất, dịch vụ tài chính và khoa học đời sống) có khả năng đạt được giá trị 1,3 nghìn tỷ đô la vào năm 2035.

Công nghệ lượng tử có thể giúp phát minh ra các vật liệu và thuốc mới, phát triển các chiến lược giao dịch tài chính thông minh hơn và tạo ra các phương thức liên lạc mới an toàn.

Mối lo ngại với an ninh trực tuyến

Thế hệ máy tính lượng tử tiên tiến sẽ mở ra một thế giới với nhiều khả năng mới, nhưng cũng sẽ gây ra những lo ngại to lớn đối với an ninh trực tuyến. Nó được gọi là Q-day, đó là ngày mà một chiếc máy tính lượng tử đủ mạnh để bẻ khóa phương thức mã hóa phổ biến nhất được sử dụng để bảo mật dữ liệu kỹ thuật số của chúng ta. Q-day có tác động to lớn đối với tất cả các công ty Internet, ngân hàng và chính phủ cũng như quyền riêng tư của mỗi cá nhân. Chúng ta biết rằng điều này sẽ xảy ra vào một ngày nào đó, vấn đề là khi nào nó sẽ xảy ra?

Phương pháp phổ biến nhất hiện được sử dụng để bảo mật tất cả dữ liệu kỹ thuật số của chúng ta dựa trên thuật toán RSA. Phương pháp mã hóa RSA dựa trên độ khó cao của việc phân tích tích của hai số nguyên tố lớn.

Để hình dung về RSA, hãy tưởng tượng bạn được đưa cho hai thùng sơn, một thùng có màu đỏ và thùng có màu xanh lam. Bạn có thể dễ dàng xác định được sắc thái màu tím được tạo ra khi trộn hai thùng sơn đó với nhau. Nhưng ở chiều ngược lại thì sao? Đưa cho bạn một màu tím và yêu cầu bạn xác định sắc thái thính xác của màu đỏ và màu xanh lam được dùng để tạo ra màu tím ấy sẽ khó hơn rất nhiều. Loại vấn đề này được gọi là “hàm cửa sập” (trapdoor function) - dễ dàng tính toán theo một hướng nhưng rất khó thực hiện theo hướng ngược lại.

Bây giờ hãy tưởng tượng rằng thay vì pha màu, chúng ta đang làm việc với các số nguyên tố rất lớn - lớn hơn nhiều và gây nhức đầu hơn những số chúng ta thường sử dụng. Thật dễ dàng để nhân hai số với nhau... nhưng việc tìm các số ban đầu cho kết quả này là rất khó thực hiện, ngay cả đối với các máy tính mạnh. Hoạt động đảo ngược phức tạp này được gọi là phân tích thừa số nguyên tố, nó được xem là nền tảng cho hoạt động của hệ thống mã hóa RSA đang được sử dụng trên Internet.

Năm 1991, Phòng thí nghiệm RSA, một công ty bảo mật có những người sáng lập đã tạo ra phương pháp mã hóa được sử dụng rộng rãi này, đã tuyên bố trao phần thưởng bằng tiền mặt cho bất kỳ ai có thể phân tích các số nguyên tố rất lớn, nghĩa là tính được chính xác hai thừa số nguyên tố tạo nên số đó.

Số nhỏ nhất trong số các số được đưa ra là 1,522,605,027,922,533,360,535,618,378,132,6 37,429,718,068,114,961,380,688,657,908,494,58 0,122,963,258,952,897,654,000,350,692,006,139.

số này được gọi là RSA-100 tương ứng với 100 chữ số thập phân của nó, đã được giải trong một vài ngày vào năm 1991.

Những số khác, dài tới 250 chữ số, đã được tính trong những năm tiếp theo, nhưng hơn một nửa trong số các số được đưa ra cho thử thách này chưa bao giờ được giải.

Mốc thời gian mà các số RSA được giải lần đầu tiên cho đến năm 2020 (Nguồn: ig.ft.com)

Khi số chữ số càng lớn thì vấn đề càng khó khăn hơn đối với máy tính truyền thống. Nhưng với thuật toán lượng tử phù hợp, việc thêm nhiều chữ số không còn quan trọng nữa. Và thuật toán Shor đã xuất hiện để giải quyết bài toán phân tích thừa số nguyên tố.

Năm 1994, nhà toán học người Mỹ Peter Shor đã viết một thuật toán về mặt lý thuyết có thể chạy trên một máy tính lượng tử mạnh mẽ để bẻ khóa giao thức mã hóa RSA đang được sử dụng phổ biến nhất để bảo mật cho các giao dịch trực tuyến. Thuật toán RSA khai thác một thực tế là mặc dù rất dễ nhân hai số nguyên tố lớn, nhưng chưa ai phát hiện ra một cách hiệu quả để máy tính cổ điển thực hiện phép tính ngược lại. Shor đã chỉ ra cách một máy tính lượng tử có thể làm điều đó tương đối dễ dàng. Một nghiên cứu gần đây tại Trung Quốc đã khám phá khả năng rằng một phương pháp kết hợp giữa điện toán lượng tử với điện toán cổ điển có thể kéo Q-day tới nhanh hơn.

Shor, giáo sư toán học tại MIT trong 20 năm, nói rằng các máy tính lượng tử “đồ chơi” mà chúng ta có ngày nay không đủ tin cậy để chạy thuật toán của ông. Sẽ cần một số đột phá về khái niệm và nỗ lực kỹ thuật to lớn trước khi chúng ta có thể mở rộng quy mô máy tính lượng tử thành 1 triệu qubit cần thiết.

Số lượng qubit trong bộ xử lý lượng tử lớn nhất của IBM, theo năm (thang logarit) (Nguồn: ig.ft.com)

Các máy tính lượng tử hiện tại đang khai thác tính chất vật lý của các hạt hạ nguyên tử (subatomic particles), vẫn còn quá không ổn định để thực hiện các hoạt động phức tạp trong thời gian dài. Máy tính Osprey của IBM, được cho là máy tính lượng tử mạnh nhất từng được phát triển, chỉ có 433 qubit trong khi hầu hết các nhà khoa học máy tính cho rằng phải cần tới 1 triệu qubit để đạt tới tiềm năng của công nghệ này. Điều này có thể cần tới hàng thập kỷ nữa.

Dự đoán tốt nhất của Shor về thời điểm điều này có thể xảy ra là khoảng 20 đến 40 năm tới. Nhưng ông cũng không loại trừ khả năng các thách thức vật lý có thể quá khó và chúng ta sẽ không bao giờ chế tạo được các máy tính lượng tử khả thi.

Dự tính thời gian máy tính lượng tử cần để phá giải thuật toán RSA so với máy tính cổ điển (Nguồn: ig.ft.com)

Steve Brierley, người sáng lập và giám đốc điều hành của Riverlane - một công ty xây dựng hệ điều hành cho máy tính lượng tử, giải thích: “Các máy tính lượng tử tốt nhất hiện nay, được sản xuất tại các quốc gia như Trung Quốc và tại Google, có thể thực hiện khoảng 100 thao tác trước khi hỏng hóc”. “Để thực hiện thuật toán của Shor, bạn cần thứ gì đó giống như một nghìn tỷ hoạt động lượng tử trước khi thất bại”.

Bộ xử lý lượng tử đang phát triển với tốc độ cấp số nhân, nhưng vẫn còn xa so với quy mô cần thiết để chạy thuật toán của Shor.

Phấn khích trước những khả năng của việc xây dựng chiếc máy tính lượng tử mạnh mẽ đầu tiên và khiếp sợ trước viễn cảnh chiếc máy tính lượng tử tiếp theo sẽ đến, các cường quốc hàng đầu thế giới hiện đang chạy đua để phát triển công nghệ này. Máy tính lượng tử không chỉ có thể bẻ khóa

các phương pháp mã hóa hiện có, chúng còn có thể được sử dụng để bảo mật thông tin liên lạc trong thế giới lượng tử - khiến cho các chính phủ, tập đoàn và quỹ đầu tư mạo hiểm đã đầu tư rất nhiều nhằm thương mại hóa công nghệ này.

Trong nhiều năm, chính phủ Mỹ đã lên kế hoạch chuẩn bị cho một thế giới lượng tử và đã tổ chức các cuộc thi để tìm ra các giao thức liên lạc an toàn trong tương lai có thể ngăn chặn mối đe dọa của Q-day. Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ đang trong quá trình phê duyệt các hệ thống mật mã mới - dựa trên các nền tảng khác với hệ số hóa - an toàn trước cả máy tính lượng tử và máy tính cổ điển. Brierley nói: “Đó thực sự là một cuộc chạy đua giữa máy tính lượng tử và giải pháp khắc phục - mục tiêu là ngừng sử dụng RSA”.

Dù bất kỳ giao thức bảo mật mới nào cuối cùng được phê duyệt, cũng sẽ phải mất nhiều năm để các chính phủ, ngân hàng và công ty Internet triển khai chúng. Đó là lý do tại sao nhiều chuyên gia bảo mật cho rằng mọi công ty có dữ liệu nhạy cảm nên chuẩn bị cho Q-day ngay từ hôm nay.

Tuy nhiên, những trở ngại đối với việc phát triển máy tính lượng tử 1 triệu qubit vẫn còn rất lớn, một số nhà đầu tư khu vực tư nhân cũng dự đoán một “mùa đông lượng tử” sắp đến khi họ mất niềm tin vào tốc độ đạt được lợi thế lượng tử.

Ngay cả khi đầu tư của khu vực tư nhân chậm lại, sự cạnh tranh địa chính trị ngày càng leo thang giữa Mỹ và Trung Quốc sẽ vẫn tạo thêm động lực để phát triển máy tính lượng tử mạnh mẽ đầu tiên trên thế giới. Cả Washington và Bắc Kinh đều không muốn về nhì trong cuộc đua đó.

“
Tài liệu tham khảo:
1. https://aws.amazon.com/vi/what...
2. https://ig.ft.com/quantum-comp...
3. https://www.mckinsey.com/capab...
our-insights/quantum-technology-sees-record-investments-
progress-on-talent-gap

(Bài viết đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 10 tháng 10/2023)