Bức tranh toàn cảnh ứng dụng lượng tử: 5 nhóm, và QKD nằm ở đâu?
Nhiều người nghe “công nghệ lượng tử” thì nghĩ ngay đến máy tính lượng tử. Thực ra đây là một hệ sinh thái gồm nhiều nhóm ứng dụng khác nhau, mỗi nhóm có bài toán, phần mềm và phần cứng đặc trưng riêng. Tôi tổng hợp lại 5 nhóm chính dưới đây khi chuẩn bị seminar về bài báo Quantum Internet in the Sky.
| Nhóm ứng dụng | Phần mềm tiêu biểu | Phần cứng tiêu biểu |
|---|---|---|
| Quantum Security | QKD (BB84), liboqs, CRYSTALS-Kyber/Dilithium | QRNG chip, đầu dò photon đơn, thiết bị QKD |
| Quantum Communication | NetQASM, QuNetSim, giao thức phân phối entanglement | Node nhớ lượng tử, nguồn photon rối, vệ tinh QKD (Micius) |
| Quantum-Inspired | D-Wave Leap, TensorFlow Quantum, máy phân nhánh mô phỏng | Fujitsu Digital Annealer, Toshiba SBM |
| QC & Simulation | Qiskit, PennyLane, Q#, QuTiP | Siêu dẫn (IBM/Google), bẫy ion (IonQ) |
| Quantum Sensing | Thuật toán hợp nhất cảm biến, xử lý tín hiệu VLBI | Đồng hồ mạng quang, từ kế NV-center, giao thoa kế nguyên tử |
Quantum Security dùng nguyên lý lượng tử để bảo vệ thông tin: sinh khóa ngẫu nhiên thực sự bằng QRNG, phân phối khóa an toàn vô điều kiện bằng QKD, hoặc chạy mật mã hậu lượng tử như CRYSTALS-Kyber trên máy tính cổ điển, chuẩn đã được NIST công bố năm 2024. Quantum Communication lại dùng nguyên lý lượng tử để truyền chính thông tin lượng tử, tức qubit và trạng thái rối, giữa các node. Đây là nền tảng cho một Quantum Internet tương lai, không chỉ để chia sẻ khóa mã mà còn cho tính toán lượng tử phân tán.
Hai nhóm còn lại trong dòng tính toán mang tính chất khác hẳn. Quantum-Inspired là các thuật toán lấy cảm hứng từ cơ học lượng tử, như annealing hay phân nhánh mô phỏng, nhưng chạy trên phần cứng cổ điển chuyên dụng, không cần qubit thật mà vẫn giải tốt bài toán tối ưu tổ hợp. QC & Simulation mới là máy tính lượng tử đúng nghĩa, dùng qubit siêu dẫn hoặc bẫy ion, cùng các SDK để lập trình và mô phỏng thuật toán lượng tử. Còn Quantum Sensing khai thác độ nhạy cực cao của trạng thái lượng tử để đo lường chính xác từ trường, thời gian hay khoảng cách, ứng dụng cả trong thiên văn VLBI lẫn định vị khi không có GPS.
Vậy QKD thuộc nhóm nào
Điều đáng chú ý là QKD không gọn gàng thuộc về một nhóm duy nhất. Xét về mục tiêu, nó là bài toán bảo mật: sinh và chia sẻ khóa mã hóa an toàn. Nhưng xét về cơ chế, nó lại là bài toán truyền thông lượng tử, vì phải truyền và đo trạng thái qubit một cách trung thực qua khoảng cách, đúng như hạ tầng mà một Quantum Internet cần.
Đây cũng chính là lý do hướng nghiên cứu của tôi, mô hình hóa kênh FSO vệ tinh cho QKD, vừa liên quan đến bảo mật khóa, vừa là một viên gạch cho hạ tầng truyền thông lượng tử qua vệ tinh nói chung. Hai nhóm ứng dụng tưởng như tách biệt hóa ra lại chia sẻ chung một lớp hạ tầng vật lý.