Máy tính lượng tử bẻ khóa mọi bí mật quốc gia: Mỹ - Trung chạy đua tìm giải pháp ngăn chặn

Vào tháng 2/2023, một công ty an ninh mạng Canada đã đưa ra một dự báo đáng lo ngại cho Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ. Theo đó, nhóm nghiên cứu từ Quantum Defen5e (QD5) cảnh báo rằng bí mật của nước Mỹ - thực ra là bí mật của mọi quốc gia - có nguy cơ bị lộ.

Phó Chủ tịch điều hành của QD5, Tilo Kunz, nói với các quan chức của Cơ quan Hệ thống Thông tin Quốc phòng Hoa Kỳ rằng có thể ngay sau năm 2025, thế giới sẽ đạt đến cái được mệnh danh là “Q-day” (Ngày Q) - ngày mà máy tính lượng tử khiến các phương pháp mã hóa hiện tại trở nên vô dụng.

Trong khi thời điểm đó chưa diễn ra, ông Kunz chia sẻ rằng một nỗ lực trên phạm vi toàn cầu nhằm đánh cắp dữ liệu đang được tiến hành để các dữ liệu này có thể được giải mã sau Ngày Q. Ông mô tả các cuộc tấn công này là "thu thập ngay, giải mã sau".

Quân đội sẽ thấy các kế hoạch dài hạn và hoạt động thu thập thông tin tình báo của họ bị lộ trước kẻ thù. Các doanh nghiệp có thể bị tước quyền sở hữu trí tuệ. Hồ sơ sức khỏe của mọi người sẽ được phơi bày.

Ông Kunz chia sẻ: “Chúng ta không phải là những người duy nhất đang thu thập, cũng không phải là những người duy nhất hy vọng giải mã được điều đó trong tương lai. Mọi thứ được gửi qua mạng công cộng đều gặp rủi ro".

Cuộc chạy đua thu thập dữ liệu đối thủ trước Ngày Q

Ông Kunz nằm trong số những người sớm nhận ra nguy cơ từ máy tính lượng tử. Nhiều chuyên gia mạng tin rằng tất cả các cường quốc đều đang thu thập dữ liệu trước Ngày Q. Hoa Kỳ và Trung Quốc, các cường quốc quân sự hàng đầu thế giới, đang cáo buộc nhau thu thập dữ liệu trên quy mô lớn.

Giám đốc Cục Điều tra Liên bang Mỹ, Christopher Wray, cho biết vào tháng 9/2023 rằng Trung Quốc có “một chương trình hack lớn hơn mọi quốc gia lớn khác cộng lại”. Ngược lại, Bộ An ninh Quốc gia, cơ quan tình báo dân sự hàng đầu của Trung Quốc, đã cáo buộc Cơ quan An ninh Quốc gia Hoa Kỳ thực hiện các cuộc tấn công “có hệ thống” để đánh cắp dữ liệu của Trung Quốc.

Có nhiều thứ đang bị đe dọa hơn là việc bẻ khóa. Các nhà nghiên cứu cho biết máy tính lượng tử, khai thác các đặc tính bí ẩn của các hạt hạ nguyên tử, hứa hẹn sẽ mang lại những đột phá trong khoa học, vũ khí và công nghiệp.

Chắc chắn có nhiều ý kiến ​​​​chia rẽ về sự xuất hiện dự kiến ​​​​của Ngày Q. Vẫn còn khá sớm cho điện toán lượng tử: Cho đến nay, chỉ có những máy tính lượng tử nhỏ với sức mạnh xử lý hạn chế và dễ bị lỗi được chế tạo. Một số nhà nghiên cứu ước tính rằng Ngày Q có thể tới vào giữa thế kỷ này.

Không ai biết quốc gia nào có thể đến được Ngày Q trước. Mỹ và Trung Quốc được coi là những nước đi đầu trong lĩnh vực này, nhưng nhiều chuyên gia tin rằng Mỹ vẫn có lợi thế.

Khi cuộc đua làm chủ điện toán lượng tử vẫn tiếp tục, một cuộc tranh giành đã diễn ra để bảo vệ dữ liệu quan trọng. Washington và các đồng minh đang nghiên cứu các tiêu chuẩn mã hóa mới được gọi là mật mã hậu lượng tử - về cơ bản là các mã khó bẻ khóa hơn nhiều, ngay cả đối với máy tính lượng tử.

Theo các nhà nghiên cứu, Bắc Kinh đang cố gắng đi tiên phong trong mạng lưới truyền thông lượng tử, một công nghệ về mặt lý thuyết không thể bị hack. Nhà khoa học dẫn đầu các nỗ lực của Bắc Kinh về điện tử đã trở thành một người khá nổi tiếng ở quốc gia này.

Nỗ lực bẻ khóa

Điện toán lượng tử hoàn toàn khác điện toán nhị phân hiện nay. Máy tính thông thường xử lý thông tin dưới dạng bit – 1 hoặc 0 và mỗi lần chỉ một số. Máy tính lượng tử xử lý các bit lượng tử hay “qubit”, có thể là 1, 0 hoặc bất kỳ số nào ở giữa, tất cả cùng một lúc, mà các nhà vật lý cho rằng đó là cách gần đúng để mô tả một khái niệm toán học phức tạp.

Những máy tính này cũng khai thác một tính chất bí ẩn của cơ học lượng tử được gọi là sự vướng víu. Các hạt như photon hoặc electron có thể bị vướng víu để chúng vẫn được kết nối với nhau , ngay cả khi cách nhau một khoảng cách rất lớn. Những thay đổi ở hạt này ngay lập tức được phản ánh ở hạt kia. Các nhà vật lý và nhà khoa học máy tính cho biết, các đặc tính của qubit và sự vướng víu là nền tảng của máy tính lượng tử, có khả năng cho phép thực hiện các phép tính vốn không thực tế trên các siêu máy tính lớn ngày nay.

Các chuyên gia tư vấn kinh doanh dự báo sức mạnh xử lý này sẽ mang lại doanh thu tăng thêm hàng trăm tỉ USD vào giữa thập kỷ tới. Ngay cả trước khi những chiếc máy tính này xuất hiện, một số người đã dự đoán rằng những tiến bộ trong công nghệ lượng tử sẽ cải thiện đáng kể hiệu suất của một số phần cứng quân sự.

Ông Michael Biercuk - người sáng lập và giám đốc điều hành của Q-CTRL, một công ty công nghệ lượng tử được thành lập ở Australia - cho biết: Công nghệ lượng tử “có thể sẽ mang tính biến đổi trong thế kỷ 21 giống như việc khai thác điện như một nguồn tài nguyên vào thế kỷ 19”. có hoạt động lớn ở Hoa Kỳ.

Ông Biercuk - một giáo sư vật lý lượng tử tại Đại học Sydney và là cựu cố vấn cho Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng Hoa Kỳ - cho biết chính khả năng giải mã của điện toán lượng tử đã thúc đẩy tiến bộ đột biến của lĩnh vực này trong những thập kỷ gần đây. Chính phủ Hoa Kỳ coi đây là một “cơ hội lớn” vào những năm 1990 và đã tài trợ cho nghiên cứu kể từ đó.

Trong cuộc họp báo với Lầu Năm Góc, ông Tilo Kunz của QD5 đã trích dẫn cái mà ông gọi là "một trong những hoạt động thu hoạch/giải mã thành công nhất từ ​​trước đến nay: dự án Venona".

Ra mắt vào năm 1943, Venona là nỗ lực kéo dài 37 năm của Hoa Kỳ nhằm giải mã các thông tin liên lạc ngoại giao của Liên Xô do người Mỹ thu thập trong và sau Thế chiến thứ hai. Các nhà giải mã của Hoa Kỳ, với sự hỗ trợ của các đồng minh, đã có thể giải mã hơn 2.900 bức điện từ hàng nghìn tin nhắn do các cơ quan tình báo Liên Xô gửi từ năm 1940 đến năm 1948, theo tài liệu của CIA.

Hầu hết thông tin liên lạc ngày nay đều được bảo mật bằng cơ sở hạ tầng Khóa công khai (Public Key - PKI), một hệ thống được phát triển vào những năm 1970 để cho phép mã hóa trên quy mô lớn.

PKI cho phép phát triển nền kinh tế internet và các hệ thống viễn thông mở. Mật khẩu của tài khoản email, ngân hàng trực tuyến và nền tảng nhắn tin an toàn đều dựa vào nó. PKI cũng rất quan trọng đối với hầu hết các thông tin liên lạc về an ninh quốc gia và chính phủ.

Biercuk cho biết, tính bảo mật do PKI cung cấp về cơ bản bắt nguồn từ việc che giấu thông tin đằng sau một bài toán rất khó. Thuật toán được sử dụng rộng rãi nhất để tạo và quản lý bài toán khó dùng để mã hóa được gọi là RSA, từ tên viết tắt của những người phát minh ra nó: các nhà khoa học máy tính và nhà mật mã học Ron Rivest, Adi Shamir và Leonard Adelman.

Tuy nhiên, RSA sẽ là cơ hội để máy tính lượng tử giải quyết.

Theo các nhà nghiên cứu, giờ đây, các chip bán dẫn và phần cứng được thiết kế đặc biệt, được gọi là bộ tạo số ngẫu nhiên lượng tử, có thể khai thác bản chất thực sự ngẫu nhiên của các hạt lượng tử hạ nguyên tử để tạo ra các bộ số với khối lượng lớn. Ông Swatton cho biết: “Công nghệ đã bắt kịp và đang giải quyết những vấn đề này.

Phát triển công nghệ mã hóa mới

Các công ty hoạt động trong lĩnh vực bảo mật đang tìm cách phát triển những công nghệ tốt hơn. SandboxAQ, một công ty con của Alphabet, có một bộ phận giúp khách hàng giải quyết mối đe dọa từ điện toán lượng tử và tận dụng lợi ích của công nghệ mạnh mẽ này. Ông Marc Manzano, Tổng giám đốc về an ninh lượng tử của SandboxAQ, cho biết ngay cả khi Ngày Q còn cách xa một thập kỷ trở lên, “điều bắt buộc là các tổ chức phải bắt đầu chuẩn bị cho việc chuyển sang mật mã hậu lượng tử ngay từ bây giờ”.

Skip Sanzeri, người sáng lập và Giám đốc điều hành của Công ty bảo mật lượng tử QuSecure ở San Mateo, California, nói rằng “toàn bộ internet và các thiết bị kết nối với nó” sẽ bị ảnh hưởng". Diễn đàn Kinh tế Thế giới (World Economic Forum) ước tính rằng 20 tỉ thiết bị sẽ phải được nâng cấp hoặc thay thế để đáp ứng các tiêu chuẩn bảo mật lượng tử trong hai thập kỷ tới.

Sanzeri nói: “Đây sẽ là một đợt nâng cấp trị giá 100 tỉ USD hoặc nghìn tỉ USD”.

Trong khi điện toán lượng tử có nguy cơ làm đảo lộn các biện pháp bảo mật hiện có, thì cơ sở vật lý đằng sau công nghệ này cũng có thể được khai thác để xây dựng các mạng không thể bị tấn công về mặt lý thuyết.

Trong mạng truyền thông lượng tử, người dùng trao đổi khóa hoặc mã bí mật trên các hạt hạ nguyên tử gọi là photon, cho phép họ mã hóa và giải mã dữ liệu. Điều này được gọi là phân phối khóa lượng tử, hay QKD. Đó là một trong những tính chất cơ bản của cơ học lượng tử có thể đảm bảo liên lạc an toàn.

Các nhà vật lý giải thích, bất kỳ nỗ lực nào nhằm theo dõi hoặc can thiệp vào các hạt lượng tử này đều làm thay đổi chúng. Điều đó có nghĩa là bất kỳ nỗ lực nào nhằm chặn thông tin liên lạc đều có thể bị người dùng phát hiện ngay lập tức. Nếu các bên liên lạc nhận được khóa mã hóa không bị hỏng, họ có thể tin tưởng rằng các liên lạc tiếp theo của họ sẽ được bảo mật.

Với mạng lượng tử, “bảo mật kỹ thuật của chúng tôi xuất phát từ các định luật vật lý”, nhà vật lý Gregoire Ribordy, giám đốc điều hành của ID Quantique (IDQ), một công ty tư nhân Thụy Sĩ cung cấp công nghệ truyền thông lượng tử, cho biết. “Không thể chặn được thông tin liên lạc nếu không để lại dấu vết”.

Kỷ nguyên mật mã hậu lượng tử

Trên toàn cầu, các cơ quan an ninh chính phủ và khu vực tư nhân đang nghiên cứu các chiến lược để đánh bại máy tính lượng tử. Vào tháng 8, Cơ quan An ninh Quốc gia Hoa Kỳ và các cơ quan khác đã kêu gọi công chúng và các công ty áp dụng các biện pháp mới để bảo vệ thông tin liên lạc của họ bằng mật mã hậu lượng tử.

Sau khi đánh giá rộng rãi, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) năm ngoái đã chọn bốn thuật toán được gọi là thuật toán mã hóa hậu lượng tử (PQC) – các tiêu chuẩn mã hóa mới mà một số chuyên gia mạng tin rằng sẽ mang lại khả năng bảo mật lâu dài. Các cơ quan chính phủ Hoa Kỳ vào năm tới cũng ​​​​sẽ ban hành một tiêu chuẩn mới cho mật mã hậu lượng tử. NIST cho biết vào tháng 8 rằng họ đang nỗ lực chuẩn hóa các thuật toán này, bước cuối cùng trước khi cung cấp rộng rãi các công cụ này cho các tổ chức để nâng cấp khả năng mã hóa của họ.

Manzano của SandboxAQ cho biết công ty của ông đang hợp tác với một số công ty lớn nhất thế giới và các cơ quan chính phủ để tích hợp các thuật toán mã hóa PQC sắp tới vào hệ thống của họ. Sanzeri cho biết QuSecure cũng đang làm việc với các khách hàng chính phủ và tư nhân để nâng cấp lên PQC.

Không phải ai cũng đồng ý rằng các thuật toán mới sẽ cung cấp khả năng bảo mật đáng tin cậy. Kunz nói với Reuters rằng cuối cùng thì các mật mã mới có thể bị xâm phạm khi máy tính lượng tử được cải thiện. Ông nói: “Vấn đề là PQC không phải là không thể phá vỡ được. “Nó không giải quyết được việc thu hoạch bây giờ, giải quyết vấn đề sau này.”

Ribordy của IDQ cho biết các máy tính cổ điển ngày nay cũng có thể bẻ khóa được những mã mới này. Ông lưu ý rằng các vấn đề toán học phức tạp trọng tâm của PQC là “quá mới” nên chúng chưa được nghiên cứu rộng rãi.

Người phát ngôn của NIST cho biết cơ quan này “tin tưởng vào tính bảo mật của các thuật toán PQC được chọn để tiêu chuẩn hóa, (hoặc) nếu không chúng tôi sẽ không tiêu chuẩn hóa chúng. Các thuật toán đã được các chuyên gia nghiên cứu và trải qua quá trình đánh giá chuyên sâu”.

Trong khi đó, một thách thức đối với những người nắm giữ bí mật kỹ thuật số là bất cứ khi nào Ngày Q tới, các nhà giải mã lượng tử khó có thể công bố bước đột phá của họ. Thay vào đó, họ có thể sẽ giữ im lặng để có thể tận dụng lợi thế càng lâu càng tốt.

Ván cược lớn của Trung Quốc

Truyền thông lượng tử là lĩnh vực mà Trung Quốc đang chi mạnh tay. Công nghệ này có khả năng bảo vệ mạng dữ liệu của Bắc Kinh, ngay cả khi Washington và các đối thủ khác là những nước đầu tiên tiếp cận được Ngày Q.

Chủ tịch Tập Cận Bình nhấn mạnh “giá trị chiến lược” của công nghệ lượng tử trong bài phát biểu năm 2020 trước các nhà lãnh đạo hàng đầu Trung Quốc - Tân Hoa Xã đưa tin. Dưới thời ông Tập, Trung Quốc đã đặt mục tiêu rõ ràng để thống trị khoa học lượng tử. Theo một số ước tính, nước này đang chi tiêu nhiều hơn bất kỳ quốc gia nào khác cho nghiên cứu lượng tử. Trong báo cáo tháng 4, McKinsey & Company ước tính Bắc Kinh đã công bố khoản tài trợ tích lũy 15,3 tỉ USD cho nghiên cứu lượng tử, gấp hơn bốn lần con số 3,7 tỉ USD tương đương của Mỹ.

Người điều khiển chính cho cuộc tìm kiếm công nghệ lượng tử của Trung Quốc là ông Pan Jianwei (Phan Kiến Vĩ), một nhà vật lý nổi tiếng ở Trung Quốc.

Ông Pan - 53 tuổi, là giáo sư tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, cơ quan nghiên cứu lượng tử hàng đầu của đất nước. Năm 2011, ông được bầu vào Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, một vinh dự được trao cho các nhà khoa học đã đạt được những tiến bộ quan trọng trong lĩnh vực của họ.

Trong các cuộc phỏng vấn trên truyền thông, ông Pan cho biết ông muốn đưa Trung Quốc trở thành quốc gia dẫn đầu về công nghệ lượng tử, đồng thời, xây dựng một mạng Internet an toàn trước các cuộc tấn công mạng. Các chuyên gia bảo mật cho biết điều này sẽ phục vụ các mục đích chiến lược quan trọng. Nó sẽ bảo vệ giới lãnh đạo và quân đội Trung Quốc khỏi bị hack, đặc biệt là trong cuộc xung đột. Họ nói rằng Internet được tăng cường lượng tử có thể bảo vệ cơ sở hạ tầng quan trọng.

Sự nghiệp của ông Pan nêu bật tầm quan trọng của lĩnh vực lượng tử đối với Trung Quốc.

Ông Pan trước đây học tiến sĩ ở Vienna (thủ đô Áo) với nhà vật lý nổi tiếng Anton Zeilinger. Ông Zeilinger đã chia sẻ giải thưởng Nobel Vật lý năm 2022 cho công trình nghiên cứu về cơ học lượng tử. Pan sau đó chuyển đến Đại học Heidelberg, nơi ông vẫn duy trì mối quan hệ chặt chẽ trước khi trở về nước vào năm 2008.

Trở lại Trung Quốc, ông Pan đã lãnh đạo một nhóm đã ghi được một cột mốc quan trọng vào năm 2016 với việc phóng Micius, vệ tinh lượng tử đầu tiên trên thế giới, được sử dụng để thiết lập các liên kết liên lạc an toàn với các trạm mặt đất ở Trung Quốc.

Năm sau, nhóm của ông và các nhà nghiên cứu ở Áo đã sử dụng vệ tinh lượng tử Micius để tổ chức hội nghị từ xa được mã hóa lượng tử đầu tiên trên thế giới, kết nối Bắc Kinh và Vienna. Pan cũng lãnh đạo một nhóm đã được cho là đã xây dựng một mạng lưới trên mặt đất không thể tấn công tương tự ở Trung Quốc, liên kết các thành phố Bắc Kinh, Tế Nam, Thượng Hải và Hợp Phì.

Ông Pan là một trong những kiến ​​trúc sư của chiến dịch phối hợp nhằm triển khai các nhà khoa học Trung Quốc tới các phòng thí nghiệm lượng tử hàng đầu trên khắp thế giới, với mục tiêu thúc đẩy sự phát triển trong nước khi các nhà nghiên cứu này trở về nước, theo báo cáo năm 2019 của Strider Technologies, một công ty khởi nghiệp về tình báo chiến lược có trụ sở tại Thành phố Salt Lake.

Báo cáo cho thấy một số nhà nghiên cứu, bao gồm cả ông Pan, đã được hưởng lợi từ nguồn tài trợ đáng kể của chính phủ nước ngoài khi đi du học. “Từ khía cạnh đó, Trung Quốc đã thành công rực rỡ,” Giám đốc điều hành Strider Technologies, Greg Levesque nói về chiến lược của Trung Quốc trong một cuộc phỏng vấn với Reuters. “Nhưng tôi không biết liệu Trung Quốc có thực sự nắm trong tay công nghệ lượng tử hay không,” ông Levesque nói thêm. “Có vẻ như một số công ty Mỹ đang đạt được những bước nhảy vọt thực sự lớn”.

Bất chấp sự dẫn đầu rõ ràng của Trung Quốc về nguồn tài trợ chính thức, một số nhà nghiên cứu cho biết Mỹ vẫn là nước dẫn đầu điện toán lượng tử tổng thể nhờ đổi mới công nghệ khu vực tư nhân, phòng thí nghiệm của chính phủ, nhà nghiên cứu đại học và các đồng minh cộng tác. Hơn nữa, Washington đang có động thái hạn chế đầu tư của Mỹ vào năng lực lượng tử của Trung Quốc.

Vào tháng 8, Tổng thống Joe Biden đã ký một lệnh hành pháp chỉ đạo Bộ Tài chính Hoa Kỳ quản lý các khoản đầu tư của Hoa Kỳ vào điện toán lượng tử, chất bán dẫn và trí tuệ nhân tạo. Một phụ lục của lệnh đó nêu tên Trung Quốc là quốc gia cần quan tâm, cùng với các khu hành chính đặc biệt là Hồng Kông và Ma Cao. Điều đó có thể dẫn đến lệnh cấm đầu tư vào hoạt động sản xuất công nghệ và thiết bị lượng tử của Trung Quốc.