Google’s Willow Chip (Nguồn: reversepcb)

Google’s Willow Chip Launch (Nguồn: reversepcb)

“Sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ đã chuyển đổi tính toán lượng tử từ các khái niệm lý thuyết thành hiện thực thực tế. Việc Google công bố chip lượng tử Willow vào tháng 12 năm 2024 đã thu hút sự chú ý rộng rãi. Chip này đánh dấu một bước nhảy đáng kể trong khả năng tính toán và giới thiệu một thách thức tiềm năng đối với các hệ thống mã hóa hiện tại. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ đào sâu vào nguyên lý của tính toán lượng tử, khám phá sự đột phá công nghệ được đại diện bởi chip Willow của Google, đánh giá các ứng dụng tiềm năng của nó, đánh giá mối đe dọa mà nó gây ra đối với tiền điện tử, và thảo luận về cách ngành công nghiệp tiền điện tử nên chuẩn bị cho thách thức mới nổi này.

Quantum Computing là gì?

Tính toán lượng tử là một phương pháp tính toán sáng tạo dựa trên nguyên lý cơ học lượng tử, sử dụng các bit lượng tử, hoặc qubit, để thực hiện các phép tính. Không giống như các bit nhị phân cổ điển, mà đại diện cho 0 hoặc 1, qubit có thể tồn tại đồng thời trong một tình trạng siêu lập phương của cả hai trạng thái và thể hiện các mối liên kết phức tạp thông qua sự rối lẫn lượng tử.

Điều này cho phép máy tính lượng tử giải quyết các vấn đề cụ thể ở tốc độ nhanh gấp nhiều lần. Ví dụ, các nhiệm vụ như phân tích thừa số nguyên, mà có thể mất triệu năm đối với máy tính truyền thống, có thể hoàn thành bằng tính toán lượng tử trong vài giây hoặc vài phút. Những khả năng như vậy có tác động sâu sắc đối với mật mã hiện đại và tính toán khoa học, đem lại cơ hội và thách thức.

Tại sao máy tính lượng tử nhanh hơn siêu máy tính?

Các lợi ích của máy tính lượng tử bắt nguồn từ ba nguyên lý cơ bản của cơ học lượng tử:

1. Superposition:

- Một bit lượng tử duy nhất có thể đồng thời ở trong trạng thái 0 và 1, có nghĩa là 𝑛 bit lượng tử có thể biểu diễn 2^𝑛 trạng thái có thể có. Điều này cho phép tính toán lượng tử khám phá nhiều khả năng đồng thời, cải thiện đáng kể hiệu suất.

1. Entanglement:

- Sự rối loạn lượng tử cho phép hai bit lượng tử có trạng thái tương quan cao, ngay cả khi xa nhau. Đặc điểm này giúp cho các máy tính lượng tử có thể hợp tác nhanh chóng trong quá trình thực hiện các hoạt động đa-qubit, giảm độ trễ.

1. Can thiệp:

- Máy tính lượng tử có thể thay đổi pha của trạng thái lượng tử để tăng cường khả năng đưa ra câu trả lời chính xác trong khi giảm xác suất của những câu trả lời không chính xác. Khả năng này còn nâng cao cả tốc độ và độ chính xác của các phép tính.

Nếu tính toán lượng tử được so sánh với quá trình giải mê cung, một CPU truyền thống chỉ có thể thử từng con đường một cách tuần tự, trong khi một GPU có thể gửi hàng ngàn đặc vụ xuống các con đường khác nhau đồng thời. Một máy tính lượng tử, tuy nhiên, sẽ giống như có vô số bản sao bóng tối khám phá mọi con đường đồng thời cho đến khi tìm thấy lối ra.

Bước đột phá công nghệ chip Willow của Google

Hai thành tựu quan trọng nhất của vi xử lý Willow của Google là như sau:

• Willow có thể giảm lỗi theo cấp số nhân, giải quyết một thách thức chính trong việc sửa lỗi lượng tử đã được theo đuổi trong gần 30 năm trong lĩnh vực này.
• Willow hoàn thành một phép tính chuẩn trong thời gian dưới năm phút, một nhiệm vụ mà một trong những siêu máy tính nhanh nhất hiện nay sẽ mất 10 tỷ tỷ năm (1025 năm) - một con số vượt xa tuổi của vũ trụ.

Những tiến bộ mới nhất của Google trong lĩnh vực tính toán lượng tử tập trung vào vi chip Willow. So với vi chip Sycamore trước đó, vi chip Willow có 105 qubit, gấp đôi so với Sycamore. Tuy nhiên, bước đột phá thực sự nằm ở số lượng qubit và chất lượng của chúng. Thời gian cùng trạng của qubit của Willow, được biết đến với tên gọi là thời gian T1, đã được cải thiện đáng kể, tăng khoảng năm lần so với các chip trước đó. Cải tiến này cho phép qubit lưu trữ thông tin trong một khoảng thời gian dài hơn đáng kể, điều này không thể phủ nhận là một yếu tố chính trong việc đảm bảo độ chính xác và sự ổn định, không chỉ là một sự tăng về quy mô đáng kể.

Trước đây, một vấn đề cốt lõi với qubits là tính dễ vỡ của chúng. Một trong những thách thức lớn trong tính toán lượng tử là qubits rất nhạy cảm với sự can thiệp từ bên ngoài, dẫn đến tỷ lệ lỗi cao (tỷ lệ lỗi tăng mạnh khi thêm nhiều qubits hơn). Vi chip Willow giới thiệu một công nghệ được biết đến là Surface Code Error Correction, kết hợp các qubits vật lý thành các qubits logic ổn định hơn, giảm đáng kể khả năng xảy ra lỗi. Điều này giải quyết một thách thức chính mà đã không được giải quyết trong gần 30 năm qua trong lĩnh vực tính toán lượng tử.

Vi điều chế chip Willow tận dụng các qubit logic, giúp tự sửa lỗi và giảm đáng kể tỷ lệ lỗi. Lõi của công nghệ này là Sửa Lỗi Lượng Tử (QEC).

Julian Kelly, Giám đốc Phần cứng Tính toán lượng tử, Giới thiệu Willow và Những thành tựu của nó (Nguồn:youtube)

Quantum Error Correction là gì?

Sửa lỗi lượng tử (QEC) là một phương pháp được sử dụng để khắc phục lỗi xảy ra trong quá trình hoạt động của máy tính lượng tử. Khi qubit rất nhạy cảm—chỉ một chút ánh sáng lạ có thể gây ra lỗi tính toán—các kỹ thuật sửa lỗi lượng tử là cần thiết để giảm tỷ lệ lỗi.

Không giống như các máy tính truyền thống sử dụng kiểm tra chẵn lẻ để sửa lỗi, máy tính lượng tử không thể đo trực tiếp trạng thái của một qubit để phát hiện lỗi. Thay vào đó, QEC sử dụng nhiều qubit vật lý để tạo thành một qubit logic. Ngay cả khi một số qubit vật lý bị xáo trộn, hệ thống vẫn có thể khôi phục thông tin chính xác. Nói một cách đơn giản, thông tin được phân phối trên nhiều qubit, thay vì tập trung vào một qubit duy nhất, vì vậy ngay cả khi một phần của qubit bị xáo trộn, các qubit còn lại vẫn có thể cung cấp đủ thông tin để sửa lỗi.

Các nhà nghiên cứu tại Google phát hiện ra rằng bằng cách giới thiệu nhiều qubit hơn và thực hiện sửa lỗi thời gian thực, họ có thể giảm đáng kể tỷ lệ lỗi. Họ đã công bố bước đột phá này trong số mới nhất của tạp chí Nature, mô tả nó như là một tiến trình “dưới ngưỡng”. Điều này có nghĩa là khi số lượng qubit tăng lên, tỷ lệ lỗi có thể giảm theo cấp số nhân - đánh dấu một cột mốc quan trọng trong lịch sử điện toán lượng tử.

Ứng dụng của Tính toán lượng tử

Phát triển thuốc và Khoa học Vật liệu

Tính toán lượng tử có thể mô phỏng cấu trúc phân tử để giúp các nhà nghiên cứu dự đoán nhanh chóng tương tác phân tử, từ đó tăng tốc quá trình phát hiện thuốc và vật liệu mới, chẳng hạn như:

• Thiết kế thuốc: Điện toán lượng tử có tiềm năng cách mạng hóa thiết kế thuốc bằng cách mô phỏng các quá trình gấp protein, đẩy nhanh đáng kể sự phát triển của các phương pháp điều trị ung thư hoặc vắc-xin. Ví dụ, trong quá trình phát triển vắc-xin COVID-19, điện toán lượng tử đóng một vai trò thiết yếu trong việc phân tích cấu trúc protein. Công nghệ lấy cảm hứng từ lượng tử của Fujitsu đã có thể sàng lọc qua hàng nghìn tỷ phân tử và xác định các ứng cử viên thuốc đầy hứa hẹn chỉ trong tám tuần, làm giảm đáng kể thời gian khám phá thuốc điển hình.
• Khoa học vật liệu: Nghiên cứu vật liệu siêu dẫn điện mới hoặc công nghệ pin thế hệ tiếp theo để tăng cường hiệu suất và tuổi thọ pin xe điện.

Mô hình khí hậu và Khoa học Môi trường

Tính toán lượng tử có thể mô phỏng các quy trình phức tạp của biến đổi khí hậu để giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ sự thay đổi môi trường và tìm ra các giải pháp:

• Mô phỏng khí hậu: Dự đoán xu hướng ấm lên toàn cầu trong tương lai và cung cấp dữ liệu để hỗ trợ việc xây dựng chính sách giảm phát thải.
• Tối ưu Hóa Phân Phối Năng Lượng: Hỗ trợ các nhà nghiên cứu trong việc thiết kế hệ thống lưới điện hiệu quả hơn để tối ưu hóa việc phân phối năng lượng và giảm lãng phí. Ví dụ, Fujitsu hợp tác với Cảng Hamburg để sử dụng máy tính lượng tử được lấy cảm hứng từ tính toán lượng tử để tối ưu hóa tín hiệu giao thông trong khu vực cảng. Điều này giảm ùn tắc và ô nhiễm, dẫn đến việc sử dụng năng lượng hiệu quả hơn.

Năng lượng mới và Fusion hạt nhân

Điện toán lượng tử có thể mô phỏng hành vi nguyên tử và phân tử, tăng tốc nghiên cứu về công nghệ tổng hợp hạt nhân và phát triển các hệ thống năng lượng hiệu quả hơn:

• Mô phỏng phản ứng tổng hợp hạt nhân: Điện toán lượng tử hỗ trợ các nhà nghiên cứu hiểu được các điều kiện phức tạp cần thiết cho các phản ứng tổng hợp hạt nhân, đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy cuộc cách mạng năng lượng sạch.
• Cải Tiến Công Nghệ Pin: Bằng cách mô phỏng các phản ứng hóa học ở cấp độ phân tử, tính toán lượng tử có thể giúp thiết kế pin hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường hơn. Ví dụ, Daimler, phối hợp với IBM, đã tận dụng tính toán lượng tử để mô phỏng hành vi của phân tử lưu huỳnh, điều này đã góp phần vào việc phát triển pin lithi-lưu huỳnh hiệu suất cao hơn, bền bỉ hơn.

Vận tải và Logistics

• Lịch trình chuyến bay: IBM sử dụng tính toán lượng tử để tối ưu hóa đồng thời quản lý đội bay, phân công phi hành đoàn và các yếu tố về hành khách, mang đến những giải pháp hiệu quả nhất để tăng tốc quá trình phục hồi hoạt động chuyến bay.
• Sản xuất ô tô: Trong kết hợp với Toyota, Fujitsu sử dụng công nghệ nung số để tính toán các tuyến đường giao thông thời gian thực, giảm chi phí logistics một cách hiệu quả và cải thiện hiệu quả hoạt động.

Hartmut Neven, người sáng lập Google Quantum AI, chỉ ra rằng việc phát hành vi mạch Willow đánh dấu một bước tiến quan trọng cho việc tính toán lượng tử thương mại có thể. Mặc dù công nghệ vẫn đang ở giai đoạn đầu, nhưng nó đặt nền móng vững chắc cho việc giải quyết các vấn đề thực tế trong tương lai.

Mối đe dọa của Tính toán lượng tử đối với Tiền điện tử

Khi Tính toán lượng tử tiếp tục phát triển, nó đặt ra những thách thức chưa từng có đối với bảo mật của tiền điện tử. Hiện tại, hầu hết các loại tiền điện tử phụ thuộc vào các phương pháp mã hóa khóa công khai truyền thống, như Mã hóa Đường Cong Elliptic (ECC) và hàm băm SHA-256. Tuy nhiên, sức mạnh tính toán khổng lồ của máy tính lượng tử có thể làm suy yếu hoàn toàn các tiêu chuẩn mã hóa hiện tại này.

1. Nguy cơ của mã hóa giải mã khóa công khai

• Các phương pháp mã hóa khóa công khai truyền thống, như RSA và ECC, phụ thuộc vào sự khó khăn tính toán của các vấn đề như phân tích thành phần nguyên tố và logarith rời rạc để đảm bảo an toàn.
• Thuật toán Shor trong tính toán lượng tử có thể giải quyết những vấn đề này nhanh gấp cấp số mũ, làm cho các phương pháp mã hóa hiện tại trở nên dễ bị tấn công. Điều này có thể mở ra khả năng cho hacker vượt qua các biện pháp bảo mật, tiếp cận các khóa riêng tư của người dùng và đe dọa tài sản số của họ.

2. Nguy cơ của Thuật toán Hash

• Cơ chế chứng minh công việc của Bitcoin (PoW) phụ thuộc vào hàm băm SHA-256 để đảm bảo tính toàn vẹn giao dịch.
• Thuật toán Grover của máy tính lượng tử có thể tăng tốc quá trình phá mã SHA-256 một cách đáng kể. Mặc dù điều này không gây ra thảm họa như Thuật toán Shor trên mã hóa khóa công khai, nhưng vẫn có thể làm suy yếu tính bảo mật của tiền điện tử.

3.Vấn đề Bảo mật Giao dịch

• Chi tiết giao dịch được ghi công khai trên chuỗi khối trong các loại tiền điện tử như Bitcoin. Hacker có thể tận dụng tính toán lượng tử để phá vỡ các khóa riêng tư của các giao dịch chưa được xác nhận, cho phép họ khởi tạo các giao dịch không được ủy quyền.
• Lỗ hổng “tấn công trước, xác nhận sau” này đặt tài sản kỹ thuật số vào tình trạng nguy cơ và có thể đe dọa tính toàn vẹn và đáng tin cậy chung của mạng blockchain.

Theo một báo cáo từ Viện Hudson, nếu máy tính lượng tử thành công trong việc phá vỡ bảo mật của Bitcoin, nó có thể dẫn đến tổn thất thị trường hơn 3 nghìn tỷ đô la, có khả năng gây ra sự hỗn loạn trên thị trường tài chính toàn cầu. Rủi ro này sẽ chỉ tăng lên khi Bitcoin và các loại tiền điện tử khác tiếp tục được chấp nhận chính thống làm tài sản đầu tư. Tuy nhiên, nghiên cứu chỉ ra rằng một máy tính lượng tử đủ mạnh để phá vỡ mã hóa của Bitcoin vẫn còn ít nhất một thập kỷ nữa. Mặc dù vậy, mối đe dọa vẫn là một mối quan tâm lâu dài. Nếu cộng đồng phát triển Bitcoin không cập nhật kịp thời các giao thức bảo mật của mình, nó có thể phải đối mặt với những rủi ro đáng kể trong tương lai. Trong khi các kỹ thuật mật mã hiện tại của tiền điện tử vẫn có hiệu quả trong môi trường điện toán truyền thống, sức mạnh tính toán của máy tính lượng tử cuối cùng có thể phá vỡ sự cân bằng này.

Chiến lược và Hướng đi cho Tiền điện tử đối với Tính toán lượng tử

Khi Tính toán lượng tử tiến bộ, cộng đồng tiền điện tử và các cơ sở nghiên cứu đều đang tích cực khám phá các chiến lược để bảo vệ tài sản kỹ thuật số và đảm bảo sự phát triển ổn định của công nghệ blockchain. Các chiến lược này bao gồm nâng cấp các kỹ thuật mật mã, tăng cường giao thức blockchain, tăng cường biện pháp bảo mật giao dịch, thiết lập các quy định và tiêu chuẩn, cũng như tạo ra các khung thời gian dài hạn để giám sát và hợp tác.

Phát triển Mật mã Post-Quantum (PQC)

Như đã đề cập trước đó, với việc công nghệ mã hóa hiện tại (như RSA và ECC) có thể bị đe dọa bởi máy tính lượng tử, việc phát triển Mật mã Sau-Lượng tử (PQC) đã trở thành trọng tâm chính. Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) đang dẫn đầu nỗ lực để thiết lập tiêu chuẩn mật mã sau-lượng tử, bao gồm:

• Mã hóa dựa trên lưới: Các kỹ thuật như Kyber và NTRU, sử dụng lý thuyết lưới để cung cấp bảo mật, đã được NIST chọn là tiêu chuẩn mật mã sau-quantum.
• Mã hóa dựa trên băm: Một ví dụ là SPHINCS+, phù hợp cho chữ ký số và cung cấp bảo vệ mạnh mẽ chống lại các cuộc tấn công từ tính toán lượng tử.
• Mã hóa đa biến đa thức: Phương pháp này dựa vào sự phức tạp của việc giải các phương trình đa thức đa biến để duy trì tính bảo mật.

Nâng cấp các giao thức Blockchain và tích hợp Công nghệ

Ngoài việc phát triển các kỹ thuật mật mã mới, các giao thức blockchain cần được nâng cấp để đáp ứng yêu cầu bảo mật của thời đại lượng tử. Các dự án blockchain lớn hiện đang khám phá các công nghệ sau:

• Bitcoin: Cộng đồng đang điều tra cách tích hợp các chữ ký post-quantum (như chữ ký Lamport và chữ ký Winternitz) vào mạng lưới Bitcoin để đảm bảo an ninh giao dịch.
• Ethereum: Đang nghiên cứu các công nghệ chứng minh không mệnh danh như zk-SNARKs và STARKs, sẽ nâng cao sự riêng tư và giảm sự phụ thuộc vào các kỹ thuật mật mã truyền thống.
• Blockchain Chống Quantum: Các dự án như Quantum-Resistant Ledger (QRL) và QANplatform đều tập trung vào việc phát triển công nghệ blockchain chống lại các cuộc tấn công từ lượng tử, bảo vệ tính bảo mật của giao dịch và dữ liệu ở mức kiến trúc.
• Tối ưu hóa Cơ chế Đồng thuận Blockchain: Việc giới thiệu các thuật toán đồng thuận mới, như Proof of Stake (PoS) chống lại tác động của lượng tử, nhằm đảm bảo sự ổn định và an ninh dài hạn của các hệ thống phi tập trung trước những đe dọa từ lượng tử.

Tăng cường bảo mật giao dịch và khóa riêng

Với tiềm năng của máy tính lượng tử để đe dọa mật mã truyền thống, việc tăng cường bảo mật giao dịch tiền điện tử và khóa riêng tư là rất quan trọng.

• Công nghệ đa chữ ký: Điều này yêu cầu nhiều khóa riêng tư để cho phép giao dịch, nâng cao tính bảo mật và giảm thiểu nguy cơ lỗ hổng điểm đơn.
• Hệ thống Chữ ký Ngưỡng (TSS): Phương pháp này chia khóa riêng thành nhiều phần, phân phối trên nhiều thiết bị khác nhau. Điều này làm cho việc xâm nhập của hacker vào một khóa duy nhất bằng tính toán lượng tử trở nên khó khăn hơn.
• Giảm Thời Gian Xác Nhận Giao Dịch: Bằng cách tối ưu hiệu suất mạng, thời gian cần thiết để xác nhận giao dịch có thể được rút ngắn, từ đó giảm cửa sổ tiếp xúc cho khóa riêng trên mạng.

Thiết lập các quy định và tiêu chuẩn

• Phát triển Tiêu chuẩn Toàn cầu: Cơ quan chính phủ và tổ chức quốc tế, như NIST và ISO, nên làm việc chặt chẽ với các công ty công nghệ để tạo ra các tiêu chuẩn mã hóa post-quantum thống nhất. Sự nỗ lực hợp tác này sẽ giúp đảm bảo việc nâng cao toàn cầu các biện pháp bảo mật trong thị trường tiền điện tử.
• Quy định về Rủi ro lượng tử: Cơ quan quản lý nên triển khai hướng dẫn yêu cầu các sàn giao dịch tiền điện tử và nhà cung cấp ví tiền điện tử áp dụng các cơ chế chống lại tính toán lượng tử. Những quy định này sẽ quan trọng trong việc bảo vệ quyền lợi của nhà đầu tư.

Kết luận

Sự phát triển của điện toán lượng tử đã đạt đến một giai đoạn then chốt, với chip Willow của Google đưa chúng ta đến gần hơn với kỷ nguyên lượng tử. Mặc dù điều này đánh dấu một bước nhảy vọt về công nghệ, nhưng nó cũng đặt ra một mối đe dọa đáng kể đối với tính bảo mật của tiền điện tử và hệ thống tài chính. Các chuyên gia dự đoán rằng các máy tính lượng tử phá vỡ mã hóa của Bitcoin có thể vẫn còn 10 đến 20 năm nữa, nhưng cuộc đua đã được tiến hành. Arthur Herman, một nhà nghiên cứu tại Viện Hudson, đã cảnh báo rằng các cuộc tấn công hack lượng tử giống như một quả bom hẹn giờ. Một khi chúng xảy ra, chúng có thể dẫn đến thiệt hại lên tới 3 nghìn tỷ đô la giá trị thị trường và có khả năng gây ra một cuộc khủng hoảng tài chính. Khi giá trị của Bitcoin đạt gần 100.000 đô la, nó trở thành mục tiêu hấp dẫn hơn đối với tin tặc. Điều quan trọng đối với cộng đồng blockchain, các tổ chức học thuật và các nhà quản lý chính phủ là hợp tác để thúc đẩy mật mã hậu lượng tử (PQC) và nâng cấp cơ sở hạ tầng blockchain hiện có, do đó bảo vệ tài sản kỹ thuật số. Trong cuộc chạy đua với thời gian này, những người thực hiện các bước chủ động sẽ có vị trí tốt nhất để phát triển mạnh trong kỷ nguyên lượng tử.