Google cho biết đã giảm lỗi của “magic state” - một tài nguyên tính toán then chốt trong máy tính lượng tử - xuống còn khoảng 1/40 nhờ bộ xử lý Willow. Dù vậy, kết quả này vẫn còn cách rất xa ngưỡng cần thiết để phá RSA-2048 hay tạo ra rủi ro thực tế đối với bảo mật của Bitcoin.

Theo CryptoPolitan ngày 17/10 (giờ địa phương), nhóm Google Quantum AI công bố trên tạp chí Science rằng họ đã đạt độ chính xác logic 99,99% đối với magic state khi sử dụng bộ xử lý lượng tử Willow.

Trọng tâm của nghiên cứu là kỹ thuật mà Google gọi là “magic state cultivation”. Trong tính toán lượng tử, magic state là thành phần quan trọng để thực hiện các phép toán phức tạp. Vì vậy, quá trình chắt lọc các trạng thái còn nhiều sai số để tạo ra trạng thái có độ chính xác cao hơn được xem là khâu then chốt.

Máy tính lượng tử vốn dễ phát sinh lỗi vì qubit rất nhạy với nhiễu từ môi trường. Ngay cả khi đã áp dụng công nghệ sửa lỗi, một số phép toán phức tạp vẫn cần các trạng thái lượng tử chuyên biệt. Trong bối cảnh đó, việc tạo và tinh luyện magic state từ lâu được xem là nút thắt lớn đối với hiệu suất của toàn hệ thống.

Google cho biết riêng công đoạn tạo magic state có thể tiêu tốn tới 95% tài nguyên của máy tính lượng tử. Theo hãng, kết quả nghiên cứu lần này cho thấy hiệu quả tính toán lượng tử có thể được cải thiện đáng kể nếu giảm được lỗi ở khâu này. Tuy nhiên, để tiến tới ứng dụng thực tế, công nghệ vẫn cần được chứng minh trên các hệ thống quy mô lớn hơn.

Google cũng cho biết vào năm 2024, Craig Gidney, Noah Shortry và Cody Jones đã phát triển nền tảng lý thuyết để xây dựng phương pháp trên. Trong quá trình “cultivation”, nhóm nghiên cứu đưa các trạng thái lượng tử còn nhiễu vào một vùng xử lý giới hạn rồi lặp lại phép đo. Các trạng thái phát hiện có lỗi sẽ bị loại bỏ, chỉ giữ lại những trạng thái đạt ngưỡng để tạo ra magic state chính xác hơn.

Nhóm nghiên cứu đồng thời rà soát lại cách diễn giải kết quả đo trong thí nghiệm. Nhà nghiên cứu Emma Rosenfeld liên tục ghi nhận các kết quả khó lý giải, khiến nhóm mất nhiều tháng để truy tìm nguyên nhân. Cuối cùng, họ xác định biến động nhiệt độ và hiện tượng “drift” - tức sự thay đổi hiệu năng dài hạn của thiết bị - đã tạo thêm nhiễu trong phòng thí nghiệm và làm sai lệch các giá trị chuẩn.

Sau đó, nhóm mở rộng dải điều khiển của hệ thống và cải tiến phương pháp đo. Google cũng cho rằng kỹ thuật “cultivation” không chỉ hữu ích trong tinh luyện magic state mà còn có thể trở thành một công cụ benchmark mới để đánh giá hiệu năng của hệ thống lượng tử.

Trong nghiên cứu, Google trình diễn quy trình chuyển trạng thái lượng tử đã được tinh luyện từ “Color Code khoảng cách 3” sang “Surface Code khoảng cách 5”. Đây đều là các mã sửa lỗi dùng để bảo vệ thông tin lượng tử trước sai hỏng. Theo Google, việc kết nối các cấu trúc sửa lỗi khác nhau có thể giúp nâng độ tin cậy của hệ thống mà không chỉ phụ thuộc vào mở rộng phần cứng.

Dù vậy, kết quả lần này không có nghĩa máy tính lượng tử đã tiến sát ngưỡng ứng dụng cho giải mã. Mức chính xác logic 99,99% mà bài báo nêu ra tương đương khoảng một lỗi trên 10.000 phép tính. Trong khi đó, số magic state cần để phá RSA-2048 được ước tính đòi hỏi xác suất lỗi ở mức một trên 10 tỷ.

So sánh hai mốc này cho thấy công nghệ hiện nay vẫn còn cách mục tiêu khoảng 1 triệu lần về độ chính xác. Nói cách khác, việc giảm mạnh lỗi magic state là một bước tiến đáng chú ý, nhưng chưa đủ để đưa máy tính lượng tử đến năng lực giải mã thực tế.

Liên quan đến hệ mật mã của Bitcoin, các nghiên cứu về rủi ro từ máy tính lượng tử vẫn đang tiếp diễn. Trong ước tính công bố năm 2025, Craig Gidney cho rằng có thể cần dưới 1 triệu qubit vật lý để phá RSA-2048. Kỹ thuật tinh luyện magic state lần này cũng được nhắc đến như một trong những yếu tố kỹ thuật có thể hỗ trợ hướng đi đó.

Trong một nghiên cứu khác, Google Quantum AI cũng ước tính số qubit vật lý cần để phá cơ chế mật mã đường cong elliptic 256 bit mà Bitcoin sử dụng có thể dưới 500.000, thấp hơn khoảng 80% so với ước tính trước đó.

Nghiên cứu này cho rằng nếu có một máy tính lượng tử đủ mạnh, lớp mã hóa bảo vệ giao dịch Bitcoin có thể bị tấn công trong khoảng 9 phút với xác suất thành công 41%. Tuy nhiên, đây vẫn chỉ là tính toán lý thuyết dựa trên những điều kiện và giả định tấn công cụ thể. Hiện bộ xử lý Willow của Google mới đạt 105 qubit vật lý, vẫn còn rất xa mốc 500.000 qubit nói trên.

Vì vậy, còn quá sớm để kết luận Bitcoin hay các hệ mật mã khóa công khai hiện nay sẽ sớm bị vô hiệu hóa chỉ dựa trên nghiên cứu này. Để máy tính lượng tử có thể được dùng cho giải mã trong thực tế, ngoài việc tăng số lượng qubit, ngành này còn phải giải quyết đồng thời nhiều bài toán như sửa lỗi, tạo magic state và duy trì độ ổn định khi vận hành.

Dù vậy, các lời kêu gọi chuẩn bị chuyển sang mật mã hậu lượng tử đang ngày càng nhiều hơn. Google đã công bố lộ trình chuyển đổi sang mật mã hậu lượng tử với mục tiêu vào năm 2029. Đây là công nghệ mã hóa được thiết kế để chống lại các cuộc tấn công không chỉ từ máy tính truyền thống mà cả máy tính lượng tử ở mức phát triển cao.

Trong hệ sinh thái Bitcoin, đề xuất BIP 360 liên quan đến “địa chỉ an toàn trước lượng tử” đang được thảo luận. Tuy nhiên, đến nay vẫn chưa có một kế hoạch tổng thể để chuyển toàn bộ địa chỉ và tài sản của người dùng sang hệ mật mã mới. Quá trình này không chỉ đòi hỏi kiểm chứng về mặt kỹ thuật mà còn liên quan đến khả năng tương thích của ví, toàn mạng lưới và mức độ tham gia của người dùng.

Nghiên cứu mới cho thấy công nghệ giảm lỗi trong máy tính lượng tử đang tiếp tục tiến triển, nhưng cũng đồng thời phản ánh khoảng cách lớn giữa thành tựu trong phòng thí nghiệm và năng lực giải mã ngoài thực tế. Trong thời gian tới, bên cạnh việc nâng hiệu năng của bộ xử lý lượng tử, tốc độ phát triển và triển khai mật mã hậu lượng tử sẽ tiếp tục là tâm điểm theo dõi.