Công nghệ lượng tử: Công nghệ của tương lai

Cơ học lượng tử là một lý thuyết cơ bản trong vật lý học, miêu tả lại các tính chất vật lý của tự nhiên ở cấp độ nguyên tử hay hạt hạ nguyên tử. Nó là cơ sở của mọi lý thuyết vật lý lượng tử bao gồm: hóa học lượng tử, lý thuyết trường lượng tử, khoa học thông tin lượng tử và công nghệ lượng tử.

Trong đó, công nghệ lượng tử có tên tiếng anh là Quantum echnology. Đây là một lĩnh vực công nghệ mới kết hợp giữa vật lý và kỹ thuật để chuyển tiếp một số tính năng của cơ học lượng tử vào ứng dụng trong cuộc sống. Những sản phẩm công nghệ được nghiên cứu và tạo ra dựa trên công nghệ cơ lượng tử hầu hết đều mang lại những giá trị thiết thực.

Sự phát triển của các công nghệ điện toán lượng tử ngày nay là một nỗ lực toàn cầu. Tất cả các châu lục đều là nơi có các công ty và chính phủ tích cực hỗ trợ việc tạo ra các giải pháp điện toán lượng tử mới. Các quốc gia có các cụm nghiên cứu và phát triển (R&D) lượng tử hàng đầu trên toàn cầu đã thực hiện các khoản đầu tư chiến lược để nắm bắt một phần chuỗi cung ứng điện toán lượng tử trong tương lai và tạo ra khả năng tiếp cận chiến lược và độc lập với các khả năng trong tương lai.

Công nghệ lượng tử là bất kỳ công nghệ nào sử dụng các nguyên tắc của vật lý lượng tử, bao gồm điện toán lượng tử, thiết bị y tế, cảm biến có độ nhạy cao, liên lạc an toàn, đồng hồ nguyên tử... Điện toán lượng tử là một tập hợp con của công nghệ lượng tử. Công nghệ lượng tử đang ngày càng trở nên quan trọng và hứa hẹn trong việc thay đổi cách chúng ta hiểu và ứng dụng vật lý, toán học, và khoa học máy tính.

Công nghệ lượng tử là một lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng của nguyên lý và hiện tượng liên quan đến cơ học lượng tử. Cơ học lượng tử là một lý thuyết trong vật lý mô tả cách mà các hạt nhỏ như nguyên tử và hạt tử nhiên tương tác và tồn tại trong thế giới vô cùng nhỏ và khác biệt hoàn toàn so với thế giới vật lý cổ điển mà chúng ta quen thuộc. Công nghệ lượng tử bao gồm một loạt các ứng dụng và phát triển mới trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

Máy tính lượng tử: Công nghệ lượng tử có khả năng thực hiện tính toán trên cơ sở của nguyên lý lượng tử, cho phép giải quyết những vấn đề phức tạp mà các máy tính cổ điển không thể xử lý hiệu quả. Các máy tính lượng tử có khả năng thực hiện nhiều phép tính cùng lúc thông qua hiện tượng siêu định thức, giúp giải quyết các vấn đề như tối ưu hóa, mô phỏng phức tạp, và mã hóa dữ liệu.

Mật lượng tử: Công nghệ lượng tử có thể được sử dụng để tạo ra hệ thống bảo mật cao cấp, ví dụ như mã hóa lượng tử. Mã hóa lượng tử sử dụng tính chất của cơ học lượng tử để đảm bảo tính riêng tư và bảo mật của thông tin trong quá trình truyền tải.

Cảm biến lượng tử: Công nghệ lượng tử có khả năng tạo ra các cảm biến siêu nhạy, cho phép đo đạc chính xác các tham số vật lý như đo đạc từ trường, ánh sáng, nhiệt độ, và áp suất. Cảm biến lượng tử có thể có hiệu suất vượt trội so với các cảm biến cổ điển.

Mạng lượng tử: Công nghệ lượng tử có thể được sử dụng để tạo ra các mạng lượng tử cho việc truyền thông và giao tiếp. Các mạng lượng tử có thể giúp tăng cường hiệu suất và bảo mật trong việc truyền tải thông tin.

Vật liệu lượng tử: Công nghệ lượng tử có thể giúp tạo ra các vật liệu có tính chất độc đáo dựa trên các hiện tượng lượng tử, như vật liệu dẫn điện tốt, vật liệu siêu dẫn, và vật liệu cải thiện hiệu suất pin và thiết bị điện tử.

Theo Viện Chính sách chiến lược Úc (ASPI), được mô tả trong báo cáo nghiên cứu (Critical Technology Tracker The global race for future power, Policy Brief Report No. 69/2023), Trung Quốc có mức tài trợ công cao nhất được phân bổ cho các công nghệ lượng tử (hơn 14 tỷ USD), tiếp theo là EU (7,2 tỷ USD) và các quốc gia như Đức, Pháp, Hà Lan và Thụy Điển nằm trong số các quốc gia châu Âu có tài trợ nhiều nhất. Israel là nhà đầu tư cao nhất về công nghệ lượng tử trên cơ sở bình quân đầu người. Úc cũng là một phần của nỗ lực quốc tế này sau thông báo tài trợ trị giá 111 triệu đô la Úc vào năm 2021, bao gồm cả Chiến lược lượng tử quốc gia và Ủy ban cố vấn lượng tử quốc gia mới.

Với tư cách là một khối, EU là một đối thủ cạnh tranh mạnh mẽ với Trung Quốc trong tất cả các công nghệ lượng tử, bao gồm cả mật mã hậu lượng tử. Hoa Kỳ đang bỏ xa Trung Quốc với biên độ lớn hơn về một số lĩnh vực công nghệ lượng tử. Các công ty công nghệ lớn như IBM, Google, Microsoft, Alibaba và Amazon là những nhà đầu tư tư nhân lớn nhất, đặc biệt là ở Hoa Kỳ, nơi hơn 80% kinh phí cho nghiên cứu lượng tử là từ khu vực tư nhân. Các khoản đầu tư tư nhân vào khoảng 1,4 tỷ USD trên toàn cầu vào năm 2021 và ước tính đạt hơn 2 tỷ USD năm 2022, với phần lớn khoản tài trợ này được dành cho các công ty mới thành lập tập trung vào phần cứng lượng tử, đặc biệt là trong điện toán lượng tử.

Ngày nay, các hoạt động điện toán lượng tử có thể được thấy ở mọi châu lục, với các sáng kiến quan trọng hàng đầu được hiện thực hóa ở hầu hết các quốc gia G20. Đầu tư tư nhân đang tăng nhanh - và chuyển từ đầu tư mạo hiểm sang các dịch vụ công ban đầu đánh dấu sự trưởng thành ngày càng tăng của ngành.

Theo Diễn đàn Kinh tế thế giới (State of Quantum Computing: Building a Quantum Economy, 9/2022), tổng đầu tư công và tư nhân có thể lên tới 35,5 tỷ USD năm 2022 trên một loạt các công nghệ lượng tử. Những khoản đầu tư trị giá hàng tỷ đô la này thúc đẩy những tiến bộ công nghệ. Điều quan trọng cần lưu ý là những con số này là ước tính thấp vì không phải tất cả đầu tư công đều được nắm bắt do lo ngại về an ninh quốc gia và những gì được theo dõi và báo cáo trong các khu vực khác nhau. Với những khoản đầu tư công và tư khổng lồ, cả công ty lâu niên và mới thành lập từ khắp nơi trên thế giới cho thấy động lực gia tăng với sự phát triển của công nghệ này.

Sự kết hợp mạnh mẽ giữa các khoản đầu tư công và tư nhân đã tạo ra một nhóm các công ty đa dạng để phát triển máy tính lượng tử hoặc các khối xây dựng chính. Vào đầu năm 2022, 46 công ty trên toàn thế giới đang tích cực phát triển phần cứng điện toán lượng tử. Ngày càng có nhiều công ty khởi nghiệp tham gia vào lĩnh vực này và thu hút vốn từ các nhà đầu tư trên toàn thế giới. Do đó, các máy tính lượng tử giai đoạn đầu ngày nay hoạt động với nhiều nền tảng phần cứng khác nhau trong các giai đoạn phát triển khác nhau. Chúng bao gồm qubit siêu dẫn, nguyên tử trung tính, ion bị bẫy, qubit quang tử và qubit dựa trên silicon.

Những thông tin điện toán lượng tử khác nhau này phản ánh một lĩnh vực công nghệ năng động và phát triển nhanh chóng. Các cột mốc quan trọng đã được báo cáo từ các nơi khác nhau trên hành tinh: bộ xử lý lượng tử đầu tiên được cung cấp cho mọi người thông qua truy cập đám mây vào năm 2016, vào năm 2019, thành tựu về ưu thế lượng tử đã được tuyên bố, theo đó bộ xử lý lượng tử được thực hiện chỉ trong vài phút một phép tính phức tạp mà hệ thống máy tính mạnh nhất thế giới vào thời điểm đó sẽ mất hai ngày để xử lý. Những cải tiến về tỷ lệ lỗi để kiểm soát qubit và khả năng đọc đáng tin cậy đã tiếp tục là một phần của bối cảnh R&D cũng như những đột phá quan trọng trong việc mở rộng quy mô.

Cơ học lượng tử ra đời từ một loạt các đột phá khoa học vào đầu những năm 1900 và cuối cùng phát triển thành cơ học lượng tử hiện đại. Các khái niệm của nó đã mang lại rất nhiều điều cho cuộc sống hàng ngày của chúng ta, từ việc tìm hiểu các thiết bị bán dẫn cho đến các máy tính lượng tử trong tương lai. Công nghệ lượng tử hiện có mặt trong danh sách và liên minh quốc gia của các chính phủ trong đó nêu rõ những công nghệ mới nổi nào được coi là “tối quan trọng” đối với tương lai của họ. Khi một công nghệ được gọi là “tối quan trọng”, vấn đề an ninh quốc gia trở nên quan trọng và hạn chế triển vọng hợp tác quốc tế.

Công nghệ lượng tử được coi là một trong những chìa khóa giúp đẩy nhanh tốc độ phát triển của văn minh nhân loại. Trong đó, Công nghệ Cơ lượng tử đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và phát minh ra nhiều ứng dụng, sản phẩm có ý nghĩa to lớn đối với cuộc sống con người.