Khánh Phạm
Writer
Ngày nay, khi bạn đăng nhập tài khoản ngân hàng, gửi tin nhắn hay thanh toán online, mọi thông tin đều được bảo vệ nhờ mật mã khóa công khai - những thuật toán mã hóa giúp dữ liệu được gửi đi an toàn mà người khác không thể đọc trộm.
Hiện nay, hai công nghệ mã hóa phổ biến nhất là RSA-2048 và ECC (Elliptic Curve Cryptography). Chúng là nền tảng của an ninh mạng hiện đại, giúp đảm bảo rằng các giao dịch tài chính, thông tin cá nhân và hệ thống mạng đều được giữ bí mật.
Tuy nhiên, có một “nguy cơ” đang dần xuất hiện: máy tính lượng tử.
Về mặt lý thuyết, máy tính lượng tử có thể phân tích các số nguyên lớn và giải logarit rời rạc nhanh hơn nhiều so với máy tính cổ điển, cho phép chúng bẻ khóa mã hóa RSA và ECC trong thời gian ngắn. Triển vọng này vừa thú vị vừa đáng lo ngại.
Câu hỏi đặt ra là, điện toán lượng tử đã đạt đến giai đoạn nào rồi? Một số người lạc quan rằng việc đếm ngược đến mật mã khóa công khai cổ điển đã bắt đầu; những người khác lại nghi ngờ rằng, do khó khăn trong sản xuất, một máy tính lượng tử thực sự hữu dụng vẫn còn rất xa vời. Quan điểm của thị trường rất đa dạng, thường lạc quan hoặc bi quan, nhưng câu hỏi cốt lõi vẫn là : Máy tính lượng tử đã tiến gần đến mức nào trong việc bẻ khóa mật mã khóa công khai cổ điển?
Câu trả lời cho câu hỏi này gắn liền chặt chẽ với sự phát triển của công nghệ chip lượng tử. Nói một cách đơn giản, nếu không có công cụ phù hợp, máy tính lượng tử không thể bẻ khóa mật mã khóa công khai cổ điển. Tuy nhiên, việc tạo ra một chip lượng tử mạnh mẽ lại đầy thách thức.
Chip lượng tử, còn được gọi là bộ xử lý lượng tử, là chip chứa các bit lượng tử (giao thoa Josephson). Việc chế tạo chip với nhiều bit lượng tử hơn đặt ra ba thách thức lớn: hệ thống dây dẫn, nhiễu xuyên âm và hiệu suất bán dẫn.
Các vấn đề về hệ thống dây điện
Vì mỗi bit lượng tử cần nhiều dây cáp (như dây điều khiển và dây đọc) nên cũng cần có bộ ghép nối (tương tự như công tắc) để kết nối các bit lượng tử.
Trên chip hai chiều, khi số lượng qubit tăng lên, độ phức tạp của hệ thống dây dẫn cũng tăng theo hướng phi tuyến tính . Đặc biệt, khi cần kết nối cao, các đường điều khiển bit ở vùng trung tâm phải bỏ qua các bit ngoại vi, dẫn đến diện tích chip tăng đột biến.
Các vấn đề nhiễu xuyên âm
Nhiễu xuyên âm là hiện tượng giao thoa lẫn nhau giữa các bit lượng tử, gây ra hiện tượng mất kết hợp trạng thái lượng tử và tăng phi tuyến tính theo số lượng bit. Nhiễu xuyên âm thông thường có thể được chia thành:
Nhiễu xuyên âm cổ điển: Tần số của tín hiệu điều khiển qubit quá gần nhau, khiến các tín hiệu điều khiển giao thoa với nhau. (Tần số đề cập đến số chu kỳ mà một sóng hoàn thành mỗi giây. Trong điện toán lượng tử, mỗi qubit được điều khiển bởi một tín hiệu vi sóng có tần số khác nhau, cho phép vận hành và điều chỉnh chính xác.)
Giao thoa lượng tử: Sự ghép nối các bit cần tắt không được tắt hoàn toàn (tương tự như mạch cổ điển trong đó dòng điện vẫn chạy sau khi công tắc đã tắt)
Nhiễu xuyên âm toàn cầu: nhiễu xuyên âm từ các quá trình vật lý chưa biết trong môi trường bên ngoài, chẳng hạn như tia vũ trụ, sự lan truyền phonon, v.v.
Để tránh nhiễu xuyên âm, có thể cần vùng cách ly lớn hơn hoặc cấu trúc che chắn được thiết kế cẩn thận. Ngoài ra, có thể áp dụng tối ưu hóa hiệu suất bộ ghép nối ở cấp độ thiết bị để tắt hoàn toàn các công tắc ghép nối giữa các bit. Hơn nữa, việc cải tiến hệ thống đo lường và điều khiển, đặc biệt là tối ưu hóa phân bổ tần số, cũng có thể giúp giảm nhiễu xuyên âm khi thực hiện song song các cổng bit kép.
Các vấn đề về năng suất thiết bị
Nếu xét thuần túy từ góc độ diện tích bề mặt, diện tích của một chip lượng tử phải tỷ lệ thuận với số lượng qubit. Tuy nhiên, do các vấn đề như đấu dây và nhiễu xuyên âm, diện tích chip thực tế thường tăng theo số lượng qubit và điều này tăng đáng kể theo siêu tuyến tính, tiến gần đến tỷ lệ bậc hai. Nói cách khác, càng có nhiều qubit, diện tích chip càng trở nên phi tuyến tính.
Tệ hơn nữa, qubit cực kỳ nhạy cảm với lỗi; ngay cả tỷ lệ lỗi 1% cũng có thể khiến toàn bộ hệ thống không thể sử dụng được. Nếu có lỗi bên trong hoặc trên bề mặt chip, chúng có thể kết hợp với qubit và làm giảm thời gian kết hợp của chúng.
Một quy tắc cơ bản trong chế tạo micro-nano là diện tích chip càng lớn thì hiệu suất càng thấp, và độ khó sản xuất chip diện tích lớn tăng theo cấp số nhân. Mặc dù quy trình sản xuất chip lượng tử siêu dẫn có thể tận dụng thiết bị và quy trình tiên tiến từ ngành công nghiệp bán dẫn, nhưng độ nhạy cực cao của bit lượng tử với các lỗi sản xuất khiến hiệu suất trở thành một thách thức đáng kể.
Một tia hy vọng: thiết kế mô-đun và kết nối giữa các chip
Các vấn đề như đấu dây, nhiễu xuyên âm và tỷ lệ năng suất đều trở nên phi tuyến tính hơn khi số lượng qubit tăng lên. Do đó, việc xây dựng trực tiếp một triệu qubit trên một chip là gần như không thể.
Điều này dẫn đến một phương pháp tiếp cận mới: đầu tiên xây dựng các mô-đun chiplet chứa hàng nghìn qubit vật lý (từ đó tạo thành một qubit logic đáng tin cậy), sau đó kết nối các chiplet này bằng công nghệ kết nối liên chip. Phương pháp này giảm đáng kể thách thức kỹ thuật của một chip đơn lẻ từ hàng trăm xuống còn hàng nghìn, khiến nó khả thi hơn nhiều.
Tuy nhiên, cách tiếp cận này cũng đặt ra những thách thức mới. Qubit cực kỳ dễ vỡ và phải hoạt động trong môi trường cực lạnh, khoảng 10 milikelvin. Nếu mỗi chiplet được đặt trong một tủ lạnh pha loãng riêng biệt, việc kết nối các chiplet sẽ đòi hỏi phải định tuyến các đường tín hiệu từ môi trường nhiệt độ thấp của một tủ lạnh đến nhiệt độ phòng, rồi đến môi trường nhiệt độ thấp của một tủ lạnh khác.
Đường truyền tín hiệu "nhiệt độ lạnh ↔ nhiệt độ phòng ↔ nhiệt độ lạnh" này tạo ra tải nhiệt và nhiễu đáng kể, có thể làm hỏng trạng thái của qubit. Nếu tất cả các chiplet được đặt trong cùng một tủ lạnh pha loãng, chúng ta sẽ cần một tủ lạnh pha loãng cực mạnh để chứa hàng nghìn chiplet . Việc sản xuất một tủ lạnh pha loãng quy mô lớn như vậy cũng đặt ra những thách thức mới.
Nhiều chiplet được đặt trong cùng một tủ lạnh pha loãng và được kết nối trực tiếp trong môi trường nhiệt độ thấp. Giải pháp tập trung này yêu cầu một tủ lạnh pha loãng công suất cực cao để chứa và duy trì nhiệt độ hoạt động của một số lượng lớn chiplet . Cần lưu ý rằng cấu trúc kết nối thực tế không nhất thiết yêu cầu kết nối trực tiếp giữa các chiplet liền kề . Kết nối liền kề được hiển thị trong hình chỉ mang tính chất minh họa.
Do đó, trong tương lai, hoặc phải tìm ra phương pháp mới để triệt tiêu nhiễu trong các tủ lạnh pha loãng kết nối với nhau, hoặc phải đạt được những đột phá trong việc mở rộng quy mô tủ lạnh pha loãng. Dựa trên tình hình khoa học và kỹ thuật hiện tại, hướng tiếp cận sau - phát triển một tủ lạnh pha loãng nhiệt độ thấp nhỏ gọn hơn, công suất cao hơn - dường như là hướng đi khả thi hơn.
Nếu áp dụng giải pháp thiết kế chiplet + kết nối liên chip , khoảng cách cần thu hẹp ở cấp độ chip lượng tử là làm thế nào để mở rộng số lượng bit lượng tử trên một chip từ hàng trăm lên hàng nghìn.
Tin tốt là chất bán dẫn vốn đã là một cây công nghệ năng động, và các quy trình liên quan vẫn đang tiếp tục phát triển. Ví dụ, các kỹ thuật xếp chồng 3D được sử dụng trong đóng gói tiên tiến có thể được tận dụng để sản xuất chip lượng tử, từ đó tăng mật độ dây dẫn và khả năng kết nối. Hơn nữa, việc tối ưu hóa quy trình vật liệu siêu dẫn, thiết kế ghép kênh và cải tiến kiến trúc chip (chẳng hạn như bộ ghép nối hiệu quả hơn và lập kế hoạch tần số hợp lý hơn) cũng sẽ giúp chúng ta vượt qua rào cản này.
Do đó, mặc dù việc mở rộng quy mô từ hàng trăm lên hàng nghìn qubit vật lý trên một chip đơn lẻ đặt ra những thách thức đáng kể, bước đi này chủ yếu liên quan đến các nút thắt kỹ thuật, và nhìn chung, triển vọng vẫn lạc quan. IBM đã sản xuất một chip đơn với 1.000 qubit vật lý. Tuy nhiên, do diện tích chip lớn, việc sản xuất hàng loạt chắc chắn sẽ gặp phải những thách thức về năng suất và độ tin cậy của các qubit bên trong chip. Do những hạn chế về công nghệ hiện tại, một máy tính hàng triệu qubit có khả năng bẻ khóa RSA - 2048 vẫn chưa khả thi. Tuy nhiên, ngành công nghiệp này nhìn chung tin rằng chúng ta có thể chứng kiến sự ra đời của một máy tính lượng tử như vậy vào năm 203X.
Hiện nay, hai công nghệ mã hóa phổ biến nhất là RSA-2048 và ECC (Elliptic Curve Cryptography). Chúng là nền tảng của an ninh mạng hiện đại, giúp đảm bảo rằng các giao dịch tài chính, thông tin cá nhân và hệ thống mạng đều được giữ bí mật.
Tuy nhiên, có một “nguy cơ” đang dần xuất hiện: máy tính lượng tử.
Về mặt lý thuyết, máy tính lượng tử có thể phân tích các số nguyên lớn và giải logarit rời rạc nhanh hơn nhiều so với máy tính cổ điển, cho phép chúng bẻ khóa mã hóa RSA và ECC trong thời gian ngắn. Triển vọng này vừa thú vị vừa đáng lo ngại.
Câu hỏi đặt ra là, điện toán lượng tử đã đạt đến giai đoạn nào rồi? Một số người lạc quan rằng việc đếm ngược đến mật mã khóa công khai cổ điển đã bắt đầu; những người khác lại nghi ngờ rằng, do khó khăn trong sản xuất, một máy tính lượng tử thực sự hữu dụng vẫn còn rất xa vời. Quan điểm của thị trường rất đa dạng, thường lạc quan hoặc bi quan, nhưng câu hỏi cốt lõi vẫn là : Máy tính lượng tử đã tiến gần đến mức nào trong việc bẻ khóa mật mã khóa công khai cổ điển?
Câu trả lời cho câu hỏi này gắn liền chặt chẽ với sự phát triển của công nghệ chip lượng tử. Nói một cách đơn giản, nếu không có công cụ phù hợp, máy tính lượng tử không thể bẻ khóa mật mã khóa công khai cổ điển. Tuy nhiên, việc tạo ra một chip lượng tử mạnh mẽ lại đầy thách thức.
Chip lượng tử, còn được gọi là bộ xử lý lượng tử, là chip chứa các bit lượng tử (giao thoa Josephson). Việc chế tạo chip với nhiều bit lượng tử hơn đặt ra ba thách thức lớn: hệ thống dây dẫn, nhiễu xuyên âm và hiệu suất bán dẫn.
Các vấn đề về hệ thống dây điện
Vì mỗi bit lượng tử cần nhiều dây cáp (như dây điều khiển và dây đọc) nên cũng cần có bộ ghép nối (tương tự như công tắc) để kết nối các bit lượng tử.
Trên chip hai chiều, khi số lượng qubit tăng lên, độ phức tạp của hệ thống dây dẫn cũng tăng theo hướng phi tuyến tính . Đặc biệt, khi cần kết nối cao, các đường điều khiển bit ở vùng trung tâm phải bỏ qua các bit ngoại vi, dẫn đến diện tích chip tăng đột biến.
Các vấn đề nhiễu xuyên âm
Nhiễu xuyên âm là hiện tượng giao thoa lẫn nhau giữa các bit lượng tử, gây ra hiện tượng mất kết hợp trạng thái lượng tử và tăng phi tuyến tính theo số lượng bit. Nhiễu xuyên âm thông thường có thể được chia thành:
Nhiễu xuyên âm cổ điển: Tần số của tín hiệu điều khiển qubit quá gần nhau, khiến các tín hiệu điều khiển giao thoa với nhau. (Tần số đề cập đến số chu kỳ mà một sóng hoàn thành mỗi giây. Trong điện toán lượng tử, mỗi qubit được điều khiển bởi một tín hiệu vi sóng có tần số khác nhau, cho phép vận hành và điều chỉnh chính xác.)
Giao thoa lượng tử: Sự ghép nối các bit cần tắt không được tắt hoàn toàn (tương tự như mạch cổ điển trong đó dòng điện vẫn chạy sau khi công tắc đã tắt)
Nhiễu xuyên âm toàn cầu: nhiễu xuyên âm từ các quá trình vật lý chưa biết trong môi trường bên ngoài, chẳng hạn như tia vũ trụ, sự lan truyền phonon, v.v.
Để tránh nhiễu xuyên âm, có thể cần vùng cách ly lớn hơn hoặc cấu trúc che chắn được thiết kế cẩn thận. Ngoài ra, có thể áp dụng tối ưu hóa hiệu suất bộ ghép nối ở cấp độ thiết bị để tắt hoàn toàn các công tắc ghép nối giữa các bit. Hơn nữa, việc cải tiến hệ thống đo lường và điều khiển, đặc biệt là tối ưu hóa phân bổ tần số, cũng có thể giúp giảm nhiễu xuyên âm khi thực hiện song song các cổng bit kép.
Các vấn đề về năng suất thiết bị
Nếu xét thuần túy từ góc độ diện tích bề mặt, diện tích của một chip lượng tử phải tỷ lệ thuận với số lượng qubit. Tuy nhiên, do các vấn đề như đấu dây và nhiễu xuyên âm, diện tích chip thực tế thường tăng theo số lượng qubit và điều này tăng đáng kể theo siêu tuyến tính, tiến gần đến tỷ lệ bậc hai. Nói cách khác, càng có nhiều qubit, diện tích chip càng trở nên phi tuyến tính.
Tệ hơn nữa, qubit cực kỳ nhạy cảm với lỗi; ngay cả tỷ lệ lỗi 1% cũng có thể khiến toàn bộ hệ thống không thể sử dụng được. Nếu có lỗi bên trong hoặc trên bề mặt chip, chúng có thể kết hợp với qubit và làm giảm thời gian kết hợp của chúng.
Một quy tắc cơ bản trong chế tạo micro-nano là diện tích chip càng lớn thì hiệu suất càng thấp, và độ khó sản xuất chip diện tích lớn tăng theo cấp số nhân. Mặc dù quy trình sản xuất chip lượng tử siêu dẫn có thể tận dụng thiết bị và quy trình tiên tiến từ ngành công nghiệp bán dẫn, nhưng độ nhạy cực cao của bit lượng tử với các lỗi sản xuất khiến hiệu suất trở thành một thách thức đáng kể.
Một tia hy vọng: thiết kế mô-đun và kết nối giữa các chip
Các vấn đề như đấu dây, nhiễu xuyên âm và tỷ lệ năng suất đều trở nên phi tuyến tính hơn khi số lượng qubit tăng lên. Do đó, việc xây dựng trực tiếp một triệu qubit trên một chip là gần như không thể.
Điều này dẫn đến một phương pháp tiếp cận mới: đầu tiên xây dựng các mô-đun chiplet chứa hàng nghìn qubit vật lý (từ đó tạo thành một qubit logic đáng tin cậy), sau đó kết nối các chiplet này bằng công nghệ kết nối liên chip. Phương pháp này giảm đáng kể thách thức kỹ thuật của một chip đơn lẻ từ hàng trăm xuống còn hàng nghìn, khiến nó khả thi hơn nhiều.
Tuy nhiên, cách tiếp cận này cũng đặt ra những thách thức mới. Qubit cực kỳ dễ vỡ và phải hoạt động trong môi trường cực lạnh, khoảng 10 milikelvin. Nếu mỗi chiplet được đặt trong một tủ lạnh pha loãng riêng biệt, việc kết nối các chiplet sẽ đòi hỏi phải định tuyến các đường tín hiệu từ môi trường nhiệt độ thấp của một tủ lạnh đến nhiệt độ phòng, rồi đến môi trường nhiệt độ thấp của một tủ lạnh khác.
Đường truyền tín hiệu "nhiệt độ lạnh ↔ nhiệt độ phòng ↔ nhiệt độ lạnh" này tạo ra tải nhiệt và nhiễu đáng kể, có thể làm hỏng trạng thái của qubit. Nếu tất cả các chiplet được đặt trong cùng một tủ lạnh pha loãng, chúng ta sẽ cần một tủ lạnh pha loãng cực mạnh để chứa hàng nghìn chiplet . Việc sản xuất một tủ lạnh pha loãng quy mô lớn như vậy cũng đặt ra những thách thức mới.
Nhiều chiplet được đặt trong cùng một tủ lạnh pha loãng và được kết nối trực tiếp trong môi trường nhiệt độ thấp. Giải pháp tập trung này yêu cầu một tủ lạnh pha loãng công suất cực cao để chứa và duy trì nhiệt độ hoạt động của một số lượng lớn chiplet . Cần lưu ý rằng cấu trúc kết nối thực tế không nhất thiết yêu cầu kết nối trực tiếp giữa các chiplet liền kề . Kết nối liền kề được hiển thị trong hình chỉ mang tính chất minh họa.
Do đó, trong tương lai, hoặc phải tìm ra phương pháp mới để triệt tiêu nhiễu trong các tủ lạnh pha loãng kết nối với nhau, hoặc phải đạt được những đột phá trong việc mở rộng quy mô tủ lạnh pha loãng. Dựa trên tình hình khoa học và kỹ thuật hiện tại, hướng tiếp cận sau - phát triển một tủ lạnh pha loãng nhiệt độ thấp nhỏ gọn hơn, công suất cao hơn - dường như là hướng đi khả thi hơn.
Nếu áp dụng giải pháp thiết kế chiplet + kết nối liên chip , khoảng cách cần thu hẹp ở cấp độ chip lượng tử là làm thế nào để mở rộng số lượng bit lượng tử trên một chip từ hàng trăm lên hàng nghìn.
Tin tốt là chất bán dẫn vốn đã là một cây công nghệ năng động, và các quy trình liên quan vẫn đang tiếp tục phát triển. Ví dụ, các kỹ thuật xếp chồng 3D được sử dụng trong đóng gói tiên tiến có thể được tận dụng để sản xuất chip lượng tử, từ đó tăng mật độ dây dẫn và khả năng kết nối. Hơn nữa, việc tối ưu hóa quy trình vật liệu siêu dẫn, thiết kế ghép kênh và cải tiến kiến trúc chip (chẳng hạn như bộ ghép nối hiệu quả hơn và lập kế hoạch tần số hợp lý hơn) cũng sẽ giúp chúng ta vượt qua rào cản này.
Do đó, mặc dù việc mở rộng quy mô từ hàng trăm lên hàng nghìn qubit vật lý trên một chip đơn lẻ đặt ra những thách thức đáng kể, bước đi này chủ yếu liên quan đến các nút thắt kỹ thuật, và nhìn chung, triển vọng vẫn lạc quan. IBM đã sản xuất một chip đơn với 1.000 qubit vật lý. Tuy nhiên, do diện tích chip lớn, việc sản xuất hàng loạt chắc chắn sẽ gặp phải những thách thức về năng suất và độ tin cậy của các qubit bên trong chip. Do những hạn chế về công nghệ hiện tại, một máy tính hàng triệu qubit có khả năng bẻ khóa RSA - 2048 vẫn chưa khả thi. Tuy nhiên, ngành công nghiệp này nhìn chung tin rằng chúng ta có thể chứng kiến sự ra đời của một máy tính lượng tử như vậy vào năm 203X.
