Công nghệ thông tin lượng tử là gì? Các nghiên cứu khoa học

Định nghĩa công nghệ thông tin lượng tử

Công nghệ thông tin lượng tử (Quantum Information Technology) là lĩnh vực liên ngành kết hợp vật lý lượng tử, khoa học máy tính, toán học và kỹ thuật điện tử nhằm khai thác các hiện tượng cơ học lượng tử để xử lý, truyền và lưu trữ thông tin. Thay vì sử dụng bit nhị phân như trong máy tính cổ điển, công nghệ này dựa vào qubit – đơn vị thông tin lượng tử có thể đồng thời tồn tại ở nhiều trạng thái nhờ nguyên lý chồng chập (superposition).

Ba đặc tính cơ bản trong cơ học lượng tử được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ thông tin lượng tử gồm:

• Chồng chập lượng tử (Quantum Superposition): cho phép qubit tồn tại ở trạng thái kết hợp giữa 0 và 1
• Rối lượng tử (Quantum Entanglement): cho phép các qubit phụ thuộc trạng thái vào nhau, dù cách xa
• Không thể sao chép (No-Cloning Theorem): cấm nhân bản hoàn hảo một trạng thái lượng tử bất kỳ

Những tính chất này giúp các hệ thống lượng tử thực hiện những tác vụ không thể hoặc không hiệu quả khi dùng hệ thống cổ điển.

Công nghệ thông tin lượng tử không chỉ giới hạn ở máy tính lượng tử mà còn bao gồm các hệ thống mã hóa lượng tử, truyền thông lượng tử và cảm biến lượng tử. Đây là một trong những hướng phát triển cốt lõi trong chiến lược công nghệ của nhiều quốc gia, bao gồm Mỹ, Trung Quốc, Liên minh Châu Âu và Nhật Bản.

Qubit là gì?

Qubit (quantum bit) là đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử, tương tự như bit trong máy tính cổ điển nhưng có khả năng biểu diễn một siêu vị trí trạng thái. Một qubit được mô tả bằng hàm sóng: $\left|\psi\right\rangle = \alpha\left|0\right\rangle + \beta\left|1\right\rangle$ trong đó $\alpha$ và $\beta$ là các số phức thỏa mãn $|\alpha|^2 + |\beta|^2 = 1$. Sự tồn tại đồng thời của cả hai trạng thái trong một qubit giúp mở rộng không gian tính toán theo hàm mũ khi số lượng qubit tăng.

Nhiều nền tảng vật lý có thể hiện thực qubit, bao gồm:

• Siêu dẫn (superconducting qubits): dựa trên các mạch điện siêu dẫn như Josephson junctions, dùng trong hệ thống của IBM và Google
• Bẫy ion (ion trap qubits): sử dụng nguyên tử bị giữ bằng điện trường, có độ chính xác cao
• Qubit photon: dùng trạng thái phân cực của ánh sáng, thuận tiện cho truyền thông lượng tử
• Spin electron hoặc hạt nhân: ứng dụng trong vật liệu rắn như kim cương NV-center

Mỗi loại qubit có ưu nhược điểm riêng. Chẳng hạn, qubit siêu dẫn có tốc độ thao tác nhanh nhưng khó duy trì tính ổn định, trong khi qubit từ bẫy ion chậm hơn nhưng có độ chính xác cao hơn. Sự lựa chọn nền tảng phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể như tính toán, truyền thông hay cảm biến.

Nguyên lý rối lượng tử và vai trò trong thông tin

Rối lượng tử (quantum entanglement) là hiện tượng hai hay nhiều hạt trở nên liên kết với nhau về mặt trạng thái, sao cho việc đo một hạt sẽ lập tức quyết định trạng thái của hạt còn lại, bất kể khoảng cách không gian giữa chúng. Rối lượng tử được Einstein gọi là "hành động ma quái từ xa" và là một trong những hiện tượng cơ bản nhất của cơ học lượng tử.

Trạng thái rối nổi tiếng nhất là trạng thái Bell: $\left|\Phi^+\right\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(\left|00\right\rangle + \left|11\right\rangle)$. Ở trạng thái này, nếu một qubit được đo là 0 thì qubit còn lại cũng chắc chắn là 0, và ngược lại. Điều này vẫn đúng ngay cả khi hai qubit ở khoảng cách hàng trăm kilomet, như đã được chứng minh qua các thực nghiệm viễn rối (long-distance entanglement experiments).

Rối lượng tử là thành phần cốt lõi của nhiều giao thức thông tin lượng tử:

• Quantum teleportation: truyền trạng thái lượng tử mà không truyền bản thân hạt
• Quantum key distribution: phát hiện nghe lén thông qua phá vỡ rối lượng tử
• Quantum error correction: sử dụng nhiều qubit rối để bảo vệ trạng thái thông tin

Rối cũng là nền tảng xây dựng mạng lượng tử phân tán và máy tính lượng tử dạng cluster state.

Máy tính lượng tử

Máy tính lượng tử là hệ thống sử dụng qubit và các cổng lượng tử để thực hiện các phép tính. Không giống như máy tính cổ điển hoạt động theo chuỗi tuần tự hoặc song song hạn chế, máy tính lượng tử khai thác chồng chập và rối lượng tử để xử lý song song trên không gian trạng thái lớn hơn theo cấp số mũ.

Các phép toán trên máy tính lượng tử được thực hiện thông qua các cổng lượng tử (quantum gates) như Hadamard, CNOT, Pauli-X, và phase gates. Một thuật toán lượng tử là chuỗi các cổng áp dụng lên qubit, tương tự như thuật toán cổ điển là chuỗi lệnh áp dụng lên bit. Máy tính lượng tử có thể giải các bài toán cụ thể nhanh hơn máy tính cổ điển, chẳng hạn:

• Thuật toán Shor: phân tích số nguyên lớn theo thời gian đa thức – đe dọa RSA
• Thuật toán Grover: tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu chưa sắp xếp với $\mathcal{O}(\sqrt{N})$ truy vấn

Nhiều công ty công nghệ lớn như Google, IBM, Intel và Microsoft đã công bố nguyên mẫu máy tính lượng tử hoạt động với hàng chục qubit. Google từng tuyên bố đạt được “ưu thế lượng tử” (quantum supremacy) vào năm 2019 khi giải một bài toán trong 200 giây mà siêu máy tính cổ điển mất hàng nghìn năm để hoàn thành. Dù vậy, máy tính lượng tử hiện vẫn trong giai đoạn NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) và chưa thể xử lý các bài toán thực tế quy mô lớn.

Mã hóa và truyền thông lượng tử

Mã hóa và truyền thông lượng tử là những ứng dụng quan trọng của công nghệ thông tin lượng tử, tận dụng nguyên lý vật lý cơ bản để đảm bảo an toàn tuyệt đối trong việc trao đổi dữ liệu. Trọng tâm của lĩnh vực này là phân phối khóa lượng tử (Quantum Key Distribution – QKD), phương pháp cho phép hai bên chia sẻ khóa mã hóa bí mật, bất khả xâm phạm nếu không để lại dấu vết.

Một giao thức QKD điển hình là BB84, được đề xuất bởi Charles Bennett và Gilles Brassard năm 1984. Giao thức sử dụng các photon được truyền trong các trạng thái phân cực khác nhau để mã hóa các bit lượng tử. Nếu có kẻ thứ ba (Eve) cố gắng đo lường photon, trạng thái lượng tử sẽ bị thay đổi – điều này có thể phát hiện được thông qua thống kê.

Các công ty như ID Quantique (idquantique.com) đã thương mại hóa hệ thống QKD và triển khai thành công mạng truyền thông lượng tử ở nhiều quốc gia, trong đó có Thụy Sĩ, Trung Quốc và Hàn Quốc. Trung Quốc đã phóng thành công vệ tinh Micius để thực hiện phân phối khóa lượng tử từ không gian, đánh dấu bước tiến lớn trong truyền thông lượng tử tầm xa.

Lưu trữ thông tin lượng tử

Lưu trữ lượng tử (quantum memory) là thành phần quan trọng giúp xây dựng mạng lượng tử hiệu quả và mở rộng khả năng của máy tính lượng tử. Bộ nhớ lượng tử cho phép ghi lại, bảo quản và đọc lại trạng thái lượng tử của qubit mà không làm mất thông tin do decoherence – một trong những thách thức lớn nhất hiện nay.

Một số công nghệ lưu trữ lượng tử hiện đại bao gồm:

• Nguyên tử lạnh: sử dụng nguyên tử bị làm lạnh gần 0 K để giữ trạng thái lượng tử ổn định
• Tinh thể rắn: như yttrium orthosilicate pha đất hiếm, giữ trạng thái lượng tử trong hàng giây
• Bẫy photon: dùng khoang cộng hưởng để giữ photon trong thời gian xác định

Thời gian coherence và hiệu suất ghi – đọc (write–read efficiency) là các chỉ tiêu then chốt của bộ nhớ lượng tử. Những cải tiến gần đây đạt thời gian lưu trữ lên tới vài trăm mili giây với độ trung thực trên 90%. Những kết quả này được công bố tại Physical Review Letters và Nature Quantum Memory Collection.

Ứng dụng tiềm năng của công nghệ thông tin lượng tử

Công nghệ lượng tử hứa hẹn tạo ra cuộc cách mạng trong nhiều lĩnh vực nhờ vào khả năng tính toán vượt trội, truyền thông bảo mật và mô phỏng vật lý lượng tử. Các lĩnh vực chính có thể hưởng lợi từ công nghệ này bao gồm:

• Mật mã học: các thuật toán mã hóa hiện nay như RSA có thể bị phá vỡ bởi thuật toán Shor
• Hóa học lượng tử: mô phỏng cấu trúc electron của phân tử phức tạp mà máy tính cổ điển không thể xử lý
• Tài chính: tối ưu danh mục đầu tư và mô phỏng rủi ro sử dụng thuật toán lượng tử
• Logistics và AI: giải quyết bài toán tổ hợp quy mô lớn nhờ vào thuật toán Grover và QAOA

Các hãng công nghệ lớn như IBM, Google, Microsoft, Amazon đang đầu tư mạnh vào hạ tầng điện toán lượng tử thông qua nền tảng đám mây (quantum cloud platforms). IBM Quantum cung cấp quyền truy cập công khai vào máy tính lượng tử thực tại quantum-computing.ibm.com. Start-up như Rigetti, IonQ và Xanadu cũng đang phát triển các hệ thống chuyên biệt với định hướng ứng dụng thương mại.

Thách thức kỹ thuật và giới hạn hiện tại

Bên cạnh tiềm năng, công nghệ thông tin lượng tử còn đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật:

• Decoherence: trạng thái lượng tử dễ bị mất ổn định do tương tác với môi trường
• Sai số cổng lượng tử: các cổng thao tác trên qubit vẫn còn tỷ lệ lỗi cao
• Tỷ lệ qubit khả dụng: nhiều hệ thống hiện chỉ có vài chục qubit thực sự hữu ích
• Điều kiện vận hành: cần nhiệt độ cực thấp (≈ 10–20 mK) để duy trì coherence

Cách tiếp cận để khắc phục bao gồm phát triển mã sửa lỗi lượng tử (quantum error correction codes), thuật toán chống nhiễu (noise-resilient algorithms) và kiến trúc lai cổ điển – lượng tử (hybrid quantum-classical architectures). Giai đoạn hiện tại được gọi là NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum), với mục tiêu thực hiện tác vụ hữu ích trước khi đạt đến điện toán lượng tử phổ quát (fault-tolerant universal quantum computing).

Tài liệu phân tích tổng quan: Preskill, J. (2018). "Quantum Computing in the NISQ era and beyond", Quantum, 2, 79. Xem bài viết.

So sánh với công nghệ thông tin cổ điển

Công nghệ thông tin lượng tử không nhằm thay thế hoàn toàn máy tính cổ điển mà hướng tới bổ sung năng lực cho những bài toán mà hệ thống cổ điển không giải quyết được trong thời gian hợp lý. Sự khác biệt rõ rệt giữa hai mô hình nằm ở cách biểu diễn và xử lý thông tin.

Bảng so sánh dưới đây cho thấy sự khác biệt chính:

Tiêu chí	Cổ điển	Lượng tử
Đơn vị thông tin	Bit (0 hoặc 1)	Qubit (superposition của 0 và 1)
Biểu diễn trạng thái	Một trạng thái tại một thời điểm	Nhiều trạng thái đồng thời
Khả năng xử lý song song	Giới hạn bởi số lõi CPU	Song song lượng tử hóa theo cấp số mũ
Bảo mật	Dựa vào độ khó toán học	Dựa vào nguyên lý vật lý cơ bản
Trạng thái phát triển	Trưởng thành và thương mại hóa	Đang nghiên cứu và thử nghiệm

Tài liệu tham khảo

1. Nielsen, M. A., & Chuang, I. L. (2010). Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge University Press.
2. Preskill, J. (2018). Quantum Computing in the NISQ era and beyond. Quantum, 2, 79. Xem tại đây.
3. IBM Quantum Computing Platform
4. ID Quantique – Quantum Safe Communications
5. Quantum Algorithm Zoo
6. arXiv – Quantum Physics Preprints
7. Nature – Quantum Memory