Điện toán lượng tử đang được các nền kinh tế hàng đầu thế giới coi là công nghệ chiến lược, nó không chỉ là một máy tính thông thường mạnh hơn có khả năng thay đổi đáng kể khả năng của con người trong việc giải quyết biến đổi khí hậu, nạn đói và bệnh tật, mà nó còn khiến các công nghệ mật mã phổ biến trở nên lỗi thời. Tiềm năng kinh tế và tác động của nó đối với nền kinh tế kỹ thuật số toàn cầu khiến điện toán lượng tử trở thành chiến lược địa chính trị. Với những khoản đầu tư công và tư không lồ của các chính phủ, các công ty lâu năm và mới thành lập từ khắp nơi trên thế giới cho thấy, động lực gia tăng với sự phát triển của các công nghệ điện toán lượng tử ngày nay là một nỗ lực toàn cầu.
- Điện toán lượng tử – công nghệ và ứng dụng
1.1. Điện toán lượng tử
Điện toán lượng tử[2] được định vị để bổ sung cho điện toán cổ điển và được áp dụng cho một số nhiệm vụ nằm ngoài khả năng của các siêu máy tính ngày nay, khắc phục khả năng tính toán mạnh mẽ chưa từng tồn tại trước đây của nó, cuối cùng mở rộng phạm vi nghiên cứu và phát triển cũng như kinh doanh hiện đại.
Các công nghệ lượng tử[3] đề cập đến một loạt các công nghệ dựa trên khả năng ngày càng tăng của chúng ta trong việc nhìn và kiểm soát thực tế ở cấp độ hạ nguyên tử (lượng tử[4]) để xây dựng các cảm biến và một hình thức điện toán và truyền thông hoàn toàn mới. Các công nghệ lượng tử đang phát triển nhanh chóng với số lượng ngày càng tăng, các chính phủ và doanh nghiệp trên toàn cầu đã đầu tư hơn 35,5 tỉ USD. Điện toán lượng tử hoạt động tốt nhất trên ba lĩnh vực nghiên cứu và công nghiệp, cụ thể: (i) Mô phỏng và khám phá phân tứ trong khoa học vật liệu và sinh học. (ii) Tối ưu hóa và quản lý rúi ro trong các hệ thống phức tạp. (iii) Tác động hai chiều đối với các lĩnh vực công nghệ hiện có như trí tuệ nhân tạo (AI), bảo mật và chuỗi khối (blockchain).
Trong khi máy tính cổ điển được xây dựng từ các bit (1 và 0) thì đơn vị trong điện toán lượng tử là một bit lượng tử hay (qubit)[5]. Một “bit” giống như một cổng trong mạch điện tử có thể bật hoặc tắt, trong khi một qubit sử dụng các đặc tính độc đáo của cơ học lượng tử để cung cấp một đơn vị có thể là 1 hoặc 0. Máy tính lượng tử điều khiển các thuộc tính lượng tử của qubit để giải quyết các vấn đề quá khó đối với máy tính cổ điển, chẳng hạn như phân tích số lượng lớn để có khả năng phá vỡ mã hóa RSA (một thuật toán mật mã hóa khóa công khai). Nếu máy tính lượng tử có thể làm những việc mà máy tính hiện đại không thể, thì chúng có thể làm bất cứ điều gì từ giải quyết khủng hoảng khí hậu đến phá vỡ Internet.
Theo nghiên cứu mới nhất, đầu tư công vào công nghệ lượng tử vượt quá 30 tỉ USD. Đầu tư tư nhân cho công nghệ lượng tử đã tăng thêm 3,2 tỉ USD chỉ riêng trong năm 2021 và hơn 5,5 tỉ USD trong thập kỷ qua. Điều quan trọng là những con số này chỉ là ước tính thấp vì không phải tất cả các khoản đầu tư công đều được ghi nhận do lo ngại về an ninh quốc gia, và do mâu thuẫn số liệu giữa các báo cáo.
Các cột mốc quan trọng đã được báo cáo gồm: Năm 2016, Bộ xử lý lượng tử đầu tiên được cung cấp cho công chúng thông qua truy cập đám mây. 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. Năm 2022, 46 công ty trên toàn thế giới tích cực phát triển phần cứng điện toán lượng tử.
1.2. Chính sách thúc đẩy điện toán lượng tử trên thế giới
Hoa Kỳ đã thành lập một chương trình quốc gia vào năm 2019 – Đạo luật Sáng kiến Lượng tử Quốc gia nhằm hỗ trợ sự phát triển các công nghệ lượng tử. Điều này bao gồm việc thành lập Hiệp hội Phát triển Kinh tế Lượng tử (QED-C) để hỗ trợ phát triển chuỗi cung ứng lượng tử với mục tiêu và sứ mệnh hỗ trợ ngành công nghiệp lượng tử trong tương lai. Ca-na-đa và các tỉnh của mình tiếp tục làm việc để phát triển các chiến lược cấp quốc gia và cấp tỉnh của họ.
Vương quốc Anh, Hà Lan, Đức và Pháp đã phát triển các chương trình và chiến lược lượng tử quốc gia với tổng đầu tư công hơn 7 tỉ USD. Uỷ ban Châu Âu cũng đã thành lập một sáng kiến đổi mới và nghiên cứu riêng trị giá 1,1 tỉ USD được gọi là Flagship lượng tử của EU dành riêng cho việc phát triển và thương mại hóa các công nghệ lượng tử ở Liên minh Châu Âu. Cùng với những khoản đâu tư này, ngành công nghiệp Châu Âu đã bắt đầu hợp nhất đấy nhanh quá trình phát triển các giải pháp lượng tử thương mại. Hiệp hội Công nghiệp Lượng tử Châu Âu (QuiC) tập hợp các công ty khởi nghiệp, doanh nghiệp nhỏ và vừa (SME), các công ty lớn, nhà đầu tư, tổ chức nghiên cứu và công nghệ cũng như các hiệp hội khác. Ở cấp quốc gia, một số hiệp hội ngành khác cũng đã được thành lập, chẳng hạn như Le Lab Quantique (Pháp), Cộng đồng Lượng tử Đan Mạch (Đan Mạch), Viện Q Phần Lan và Vương quốc Anh Quantum (Vương quốc Anh).
Kế hoạch 5 năm của Trung Quốc được đưa ra vào năm 2016 và đặt điện toán lượng làm ưu tiên hàng đầu cho chủ quyền công nghệ quốc gia. Trong mười năm qua Trung Quốc đã đầu tư hơn 1 tỉ USD vào công nghệ lượng tử, với khoản đầu tư bổ sung 150 triệu USD vào quỹ khởi nghiệp. Các kế hoạch dài hạn bao gồm khoản đầu tư công lên tới 15 ti USD. Những nỗ lực của Trung Quốc được cho là khá lớn tuy không có số liệu công khai. Bắt đầu từ năm 2019, Nhật Bản và Hàn Quốc đã tạo ra các chiến lược lượng tử chính thức. Cả hai đều nỗ lực xây dựng máy tính lượng tử và truy cập máy tính lượng tử thông qua đám mây trên phần cứng do các công ty khác tạo ra. Đầu năm 2022, Ấn Độ đã công bố kế hoạch chi hơn 1 tỉ USD trong 5 năm tới để hỗ trợ phát triển công nghệ lượng tử, bao gồm cả nỗ lực xây dựng một máy tính lượng tử nguyên mẫu nhỏ vào năm 2026.
Ô-xtrây-li-a sở hữu các cơ sở nghiên cứu lượng tử đẳng cấp thể giới được thành lập qua hai thập kỷ nghiên cứu và đầu tư bền vững. Năm 2020, quốc gia này đã công bố lộ trình công nghiệp lượng tử quốc gia và vào năm 2021, thành lập một Trung tâm Thương mại hóa Lượng tử mới để thiết lập quan hệ đổi tác chiến lược với các quốc gia có cùng chí hướng nhằm thương mại hóa nghiên cứu lượng tử của họ. Việc phát triển một chiến lược lượng tử quốc gia để vạch ra tầm nhìn của Ô-xtrây-li-a đối với ngành công nghiệp lượng tử của nước này hiện đang được tiến hành.
Như vậy, điện toán lượng tử là một phần bổ sung công nghệ mới cung cấp tác nhân chuyển đổi trong khoa học công nghệ, nhất là công nghệ vật liệu, sinh học, hệ thống phức tạp và ảnh hưởng đến bảo mật, blockchain và trí tuệ nhân tạo (AI).
1.3. Ứng dụng của máy tính lượng tử
Với khả năng mô phỏng các tương tác lượng tử ở cấp độ nguyên tử và phần tử của máy tính lượng tử, các vấn đề nằm ngoài phạm vi của máy tính hiện tại có khả năng được giải quyết, mở ra một chương mới của nghiên cứu khoa học (về vật liệu mới, y học, năng lượng, sinh học). Hiểu được hành vi và tính chất của các quá trình này là thách thức chính trong vật lý, hoá học và sinh học, đồng thời là cơ sở của sự tiến bộ trong dược phẩm, năng lượng, nông nghiệp và khoa học vật liệu. Các tính chất của nguyên tử và phân tử cũng như tương tác của chúng được xác định bởi cơ học lượng tử, làm cho máy tính lượng tử phù hợp một cách tự nhiên để lập mô hình và đẩy nhanh đáng kể việc khám phá trong các lĩnh vực này.
Đối với các ngành sản xuất và xây dựng, việc mở rộng kiến thức từ các phân tử và hợp chất sang vật liệu sẽ cho phép thiết kế các hợp kim, vải và lớp phủ mới với các đặc tính mong muốn về trọng lượng, độ bền và tính linh hoạt với tốc độ nhanh hơn. Điều này sẽ mở đường cho các sản phẩm công nghiệp mới với hiệu quả năng lượng, an toàn hoặc các hạn chế khác. Các công ty Total Energies và Quantinuum đang sử dụng các thuật toán điện toán lượng tử để phát triển và triển khai các vật liệu thu giữ carbon mới bằng cách mô phòng hành vi của các khung kim loại – hữu cơ, một nhiệm vụ quá khó đối với các siêu máy tính hiện đại.
Năng lượng: Máy tính lượng tử có thể mô phỏng và học hỏi từ quá trình quang hợp tự nhiên diễn ra ở thực vật để tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời hiệu quả hơn giúp chuyển đổi nhiều năng lượng mặt trời hơn thành điện năng. Máy tính lượng tử còn giúp thiết kế các hệ thống lưu trữ năng lượng và pin mới, tăng tốc mô phỏng lượng tử của vật liệu điện phân, cực dương và cực âm, đồng thời chọn các tuỳ chọn tốt nhất thông qua tối ưu hóa. Các công ty Mercedes-Benz và PsiQuantum gần đây đã chia sẻ các kết quả nghiên cứu về tác động của điện toán lượng tử đối với việc thiết kế pin cho xe điện, bao gồm cả pin lithium-ion (phổ biến nhất).
Y Học: Nghiên cứu và xử lý cơ thể tốt hơn là một trong những cơ hội cơ bản mà điện toán lượng tử mang lại. Thiết kế thuốc hiệu quả hơn sẽ làm giảm đáng kể rào cản tính toán để đánh giá và so sánh các hợp chất mới và đặc tính của chúng “trong ống nghiệm”, mà không cần tổng hợp chúng. Các công ty dược phẩm hàng đầu (Biogen, Boehringer Ingelheim, Roche, Pfizer, Merck, Janssen) đã nhận ra tiềm năng của điện toán lượng tử, đã bắt đầu có quan hệ với các đối tác nghiên cứu về lượng tử hoặc các ứng dụng lấy cảm hứng từ lượng tử để khám phá phân tử nhỏ, mô phỏng động lực phân tử, mô phỏng phân tử hóa học mức lượng tử, v.v.
Tài chính: Các ngân hàng, tổ chức tín dụng và các công ty thương mại đều xử lý một lượng lớn dữ liệu, xác suất và giả định trong quá trình ra quyết định của họ. Máy tính lượng tử có thể cải thiện khả năng nhận dạng mẫu trong các tập dữ liệu có cấu trúc và phi cấu trúc, cải thiện chất lượng và tốc độ phát hiện gian lận. Việc xây dựng các mô hình chấm điểm tín dụng phức tạp bằng công nghệ lượng tử có thể làm tăng khả năng sinh lời của các ưu đãi tín dụng và cho phép tiếp cận dân số không có tài khoản ngân hàng. Định giá chứng khoán và phái sinh tốt hơn, kết hợp nhiều yếu tố thị trường hơn với rủi ro giá gần với thời gian thực, và đánh giá, phân tích và tối ưu hóa rủi ro danh mục đầu tư, cho phép hành vi trong tương lai được mô hình hóa và danh mục đầu tư được tối ưu hóa theo các tham số nhất định – bằng cách so sánh các kết hợp khác nhau theo cách hiệu quả hơn nhiều, thực hiện tốt hơn các danh mục đầu tư bền vững, cũng là một ứng dụng của công nghệ lượng tử.
Các loại vấn đề mà điện toán lượng tử dự kiến sẽ giải quyết tốt nhất (mô phỏng lượng tử, tối ưu hóa, đại số tuyến tính lượng tử và phân tích thừa số nguyên tố) là nền tảng cho hoạt động bên trong của nhiều công nghệ hiện có. Một mặt, nó được kỳ vọng sẽ tăng tốc các thuật toán học máy và cung cấp các lộ trình cho các cơ hội chưa từng có trong khoa học cơ bản, từ vật lý đến hóa học, sinh học và các vật liệu tiên tiến. Mặt khác, nó mang một tiềm năng đột phá đối với an toàn của truyền thông kỹ thuật số ngày nay và mở rộng ra là an ninh quốc gia. Các giải pháp chuỗi khối, bao gồm cả tiền điện tử, cũng đang bị đe doạ, mặc dủ vẫn có tin tốt cho những lĩnh vực này.
Máy tính lượng tử thúc đẩy ứng dụng trí tuệ nhân tạo: Một ứng dụng chính của điện toán lượng tử là giải quyết các thuật toán máy học hiệu quả hơn, do đó thúc đầy các ứng dụng AI hiện có và mới, ví dụ như các mô hình hỗ trợ lượng tử để tạo dữ liệu nhằm tăng cường dự báo thời tiết. Trong một số ứng dụng, chẳng hạn như mạng nơ ron lượng tử, toàn bộ kỹ thuật học được cấy ghép vào miền lượng tử. Các vấn đề về máy học có liên quan trong nhiều ngành, chẳng hạn như lái xe tự động, giao dịch tự động, nhận dạng giọng nói và hình ảnh cũng như bảo trì dự đoán. Bằng cách đẩy nhanh các quy trình đào tạo máy học, với nhiều mô hình đột phá đòi hỏi một lượng năng lực tính toán đáng kể (ví dụ: GPT-3 được cho là mất 355 năm để tính toán hiệu quả), điện toán lượng tử có cơ hội trở thành một phần của sự thay đổi tổng thể hướng tới dân chủ hóá AI và mở ra cơ hội cho các công ty nhỏ hơn đào tạo các mô hình phức tạp về mặt lý thuyết với một phần nhỏ thời gian và chi phí và không cần truy cập vào các trung tâm dữ liệu siêu quy mô hiện đại.
Máy tính lượng tử có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng quốc phòng khác nhau, bao gồm phát triển vật liệu tốt hơn cho máy móc và vũ khí quân sự, truy cập các đường liên lạc an toàn của đối thủ và chạy mô phỏng chiến đấu. Trường hợp sử dụng quan trọng vẫn là khả năng phá mã hóa RSA của máy tính lượng tử. Nhận thấy tiềm năng của công nghệ này, NATO đã ra mắt Quỹ đổi mới công nghệ mới nổi đa quốc gia trị giá 1 tỉ USD đầu tiên trên thế giới để hỗ trợ đầu tư vào các dự án kinh doanh giai đoạn đầu với các công nghệ sử dụng kép, bao gồm cả điện toán lượng tử. Trung Quốc, quốc gia dẫn đầu thế giới về công nghệ lượng tử, rất hạn chế trong việc tiết lộ thông tin về tình trạng phát triển điện toán lượng tử. Tuy nhiên, Quân Giải phóng Nhân dân Trung Quốc được biết là tài trợ nghiên cứu lượng tử thông qua mạng lưới các học viện khoa học quân sự và các tổ chức học thuật hợp tác.
- Khuyến nghị chính sách
Một là, cần sớm ban hành chính sách về kinh tế lượng tử: Chính phủ cần xây dựng chiến lược điện toán lượng tử quốc gia, ban hành các chính sách liên quan đến điện toán lượng tử. Chính phủ cần có chính sách nhằm: (i) Khai thác các khả năng biến đổi của công nghệ này và các ứng dụng một cách thích hợp. (ii) Bảo đảm quyền truy cập rộng rãi vào phần cứng điện toán lượng tử. (iii) Khuyến khích hợp tác và môi trường tiền cạnh tranh, cho phép phát triển công nghệ nhanh hơn và hiện thực hóa các ứng dụng điện toán lượng tử. (iv) Bảo đảm người dân nói chung và các bên liên quan đến điện toán lượng tử nhận thức được, tham gia và được cung cấp đầy đủ thông tin. Ngoài ra các chính sách và quy định cần thiết trong điện toán lượng tử bao gồm những chính sách và quy định liên quan đến lợi ích chung, trách nhiệm giải trình, tính toàn diện, tính công bằng, khả năng tiếp cận và tính minh bạch. Mối đe doạ của điện toán lượng tử đối với an ninh mạng cũng đòi hỏi các chính sách để giảm thiểu rủi ro này.
Hai là, cần có chính sách phát triển lực lượng lao động đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế lượng tử: Từ góc độ toàn cầu, mọi châu lục đều đã có các công ty khởi nghiệp về công nghệ lượng tử, đòi hỏi số lượng việc làm tăng theo cấp số nhân trong các công nghệ lượng tử trong hai thập kỷ tới. Lĩnh vực công nghệ lượng tử cần có lao động với năng lực học thuật cao ở cấp độ tiến sĩ, như nhà vật lý lượng tử, nhà khoa học máy tính, kỹ sư, kỹ thuật viên và những người có nền tảng kinh doanh, bán hàng và chính sách. Trong 20 năm tới, nhu cầu lao động trong lĩnh vực này là rất lớn. Cách duy nhất để đào tạo lực lượng lao động của tương lai là cần đưa các khái niệm lượng tử ở cấp giáo dục tiểu học và trung học, đồng thời tạo ra nhiều cơ hội và chương trình dành riêng cho kỹ thuật lượng tử. Nhiều cá nhân, cả sinh viên và chuyên gia, đang tìm kiếm các nguồn lực bổ sung để giúp họ xây dựng sự nghiệp trong lĩnh vực công nghệ lượng tử. Các công ty mới chuyên về lĩnh vực lượng tử tập trung vào việc hỗ trợ những người tìm kiếm việc làm trong công nghệ lượng tử, cung cấp cho họ hướng dẫn chuyên môn và đặt họ làm ứng viên lý tưởng trong các công ty lượng tử. Có rất nhiều cơ hội để xây dựng và duy trì lực lượng lao động sẵn sàng cho lượng tử, bao gồm quan hệ đối tác công – tư, hợp tác giữa công nghiệp và học viện, phát triển các chương trình giáo dục lượng tử quốc gia và giải quyết các vấn đề đa đạng khác nhau.
Ba là, Chính phủ, doanh nghiệp và tổ chức nghiên cứu có tiềm năng cần phát triển công nghệ vì lợi ích chung. Trong khi chưa biết phương pháp công nghệ nào hoặc cách tiếp cận nào để xây dựng máy tính lượng tử ở quy mô lớn sẽ chiếm ưu thế và khi nào máy tính lượng tử sẵn sàng, nhưng không còn nghi ngờ gì về việc xuất hiện của chúng thì các chính phủ và doanh nghiệp phải hành động ngay vì không thể bỏ qua các rủi ro bảo mật lượng tử và cơ hội kinh doanh. Đây là một thời điểm độc đáo trong lịch sử hiện đại, nơi mọi người có thể chuẩn bị cho công nghệ khi nó đang được định hình và trưởng thành. Chính phủ và giới học thuật có thể tiếp tục làm việc để mở rộng quy mô các chương trình đào tạo lực lượng lao động lượng tử và xây dựng hệ sinh thái quốc gia, khuyến khích quan hệ đối tác trong nghiên cứu, ứng dụng điện toán lượng tử./.
Phương Thúy
[1] Nguồn Bộ Khoa học và Công nghệ
[2] Điện toán lượng tử (QC): Dùng để tính toán khai thác bản chất của việc lưu trữ và thao tác thông tin lượng tử.
[3] Công nghệ lượng tử: Là các loại công nghệ sử dụng 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.
[4] Lượng tử: Lượng tử (quantum) trong vật lý học là một đại lượng rời rạc và nhỏ nhất của một thực thể vật lý.
[5] Qubit: Là mội đơn vị lưu trữ thông tin trong điện toán lượng từ, về cơ bản khác với một “bit” cổ điển có thể chứa sự chồng chất tuyến tính của các trạng thái, nghĩa là nó có thể là 0 và 1 cùng một lúc.
