Máy tính lượng tử, truyền thông lượng tử hay Internet lượng tử đang trở thành "từ khóa" được nhắc đến ngày càng nhiều trong cuộc đua công nghệ toàn cầu.
Đây được xem là một trong những công nghệ chiến lược khi nhiều quốc gia đã đầu tư hàng chục tỷ USD nhằm phát triển máy tính lượng tử, mạng lượng tử và cảm biến lượng tử.
Công nghệ lượng tử khai thác quy luật thế giới vi mô
Theo PGS.TS Đinh Trung Hòa (Đại học Troy, Mỹ), công nghệ lượng tử là tên gọi chung cho những công nghệ khai thác trực tiếp các quy luật của cơ học lượng tử để xử lý thông tin, truyền thông, đo lường hoặc mô phỏng tự nhiên.
Nhiều thiết bị quen thuộc như bóng bán dẫn, chip bán dẫn, laser hay máy cộng hưởng từ đã dựa trên những nguyên lý của cơ học lượng tử từ nhiều thập kỷ qua.
Tuy nhiên, công nghệ lượng tử thế hệ mới đi xa hơn khi con người tìm cách chuẩn bị, điều khiển và đo lường từng trạng thái lượng tử riêng lẻ, chẳng hạn một photon, một nguyên tử hoặc một mạch siêu dẫn.
PGS.TS Đinh Trung Hòa, Đại học Troy, Hoa Kỳ, thành viên Ban điều hành Mạng lưới lượng tử Việt Nam (VNQuantum) (Ảnh: Trường Đại học Bách khoa, ĐHĐNĐ).
"Có thể hình dung công nghệ điện tử truyền thống sử dụng các đặc tính trung bình của vật liệu để tạo ra dòng điện và bit 0-1. Công nghệ lượng tử thế hệ mới cố gắng điều khiển chính những trạng thái vi mô tạo nên vật liệu đó.
Nhờ vậy, chúng ta có thể xây dựng máy tính lượng tử, truyền thông lượng tử, cảm biến lượng tử và các hệ đo lường có độ chính xác rất cao", PGS Đinh Trung Hòa phân tích.
Tên gọi "lượng tử" xuất phát từ đặc điểm của thế giới vi mô, nơi nhiều đại lượng vật lý không thay đổi liên tục mà xuất hiện theo những đơn vị rời rạc nhất định. Chẳng hạn, một nguyên tử chỉ có thể hấp thụ hoặc phát ra những mức năng lượng xác định.
Trong vật lý, ánh sáng có thể được mô tả là tập hợp của các photon. Ở cấp độ vi mô, các photon và nhiều hạt cơ bản khác tuân theo những quy luật của cơ học lượng tử, với các hiện tượng đặc trưng như chồng chập, giao thoa, vướng víu lượng tử và phép đo mang tính xác suất.
Trong công nghệ lượng tử, các hiện tượng này được khai thác như những nguồn tài nguyên để xử lý thông tin.
Trong đó, chồng chập cho phép biểu diễn nhiều khả năng trong một trạng thái, giao thoa cho phép tăng cường hoặc triệt tiêu các biên độ xác suất, vướng víu tạo ra những tương quan không có tương đương trong vật lý cổ điển, còn phép đo lượng tử biến trạng thái lượng tử thành kết quả có thể quan sát được.
Máy tính lượng tử không phải "cỗ máy biết mọi đáp án"
Một cách giải thích phổ biến cho rằng máy tính lượng tử có thể "thử tất cả đáp án cùng lúc". Tuy nhiên, theo PGS.TS Đinh Trung Hòa, cách diễn đạt này dễ gây hiểu nhầm.
Nếu chỉ tạo ra đồng thời nhiều khả năng rồi thực hiện phép đo, kết quả thu được thường chỉ là một giá trị ngẫu nhiên.
Sức mạnh thật sự đến từ việc thiết kế phép tính để các khả năng sai giao thoa và triệt tiêu, còn khả năng đúng được tăng cường.
Máy tính lượng tử sử dụng qubit thay cho bit truyền thống (Ảnh: Getty).
Có thể hình dung hiện tượng này qua sự giao thoa của sóng nước. Khi hai con sóng gặp nhau, có vị trí biên độ được tăng cường, nhưng cũng có vị trí chúng triệt tiêu lẫn nhau.
"Thuật toán lượng tử điều khiển biên độ xác suất theo cách tương tự. Vì vậy, máy tính lượng tử không phải chiếc máy 'biết mọi đáp án', mà là một cỗ máy dùng giao thoa để làm cho lời giải mong muốn nổi bật hơn", PGS Hòa phân tích.
Điều này cũng giải thích vì sao máy tính lượng tử không nhanh hơn trong mọi nhiệm vụ. Chỉ những bài toán có cấu trúc phù hợp và có thuật toán lượng tử tối ưu mới có thể tạo ra lợi thế so với phương pháp tính toán truyền thống.
Công nghệ lượng tử là lĩnh vực khoa học - công nghệ liên ngành, đòi hỏi sự kết hợp của toán học, vật lý, khoa học máy tính, điện tử, khoa học vật liệu và kỹ thuật điều khiển.
Dù sở hữu tiềm năng lớn, các nhánh công nghệ lượng tử hiện vẫn đang ở những mức độ phát triển và sẵn sàng ứng dụng khác nhau.
Công nghệ điện tử hiện đại tuy cũng dựa trên cơ học lượng tử ở cấp độ vật liệu, nhưng trong quá trình vận hành, thông tin vẫn được xử lý theo mô hình cổ điển: bit chỉ nhận giá trị 0 hoặc 1, tín hiệu có thể được sao chép, khuếch đại và đọc nhiều lần mà không làm thay đổi bản chất của thông tin.
"Trong công nghệ lượng tử thế hệ mới, bản thân trạng thái mang thông tin là trạng thái lượng tử. Qubit có thể ở trạng thái chồng chập, phép đo thường làm thay đổi trạng thái; trạng thái lượng tử không thể được sao chép hoàn hảo tùy ý, nhiều qubit có thể vướng víu với nhau.
Chính các đặc điểm này tạo ra khả năng mới, nhưng đồng thời khiến hệ thống rất nhạy với nhiễu", PGS Đinh Trung Hòa thông tin.
Có thể nói, công nghệ lượng tử không chỉ là sự cải tiến về quy mô hay hiệu năng của các hệ thống điện tử hiện nay.
Đây là một mô hình công nghệ mới, với kiến trúc xử lý thông tin, phương pháp đo lường, cơ chế hiệu chỉnh sai số và bảo mật dựa trên các nguyên lý của cơ học lượng tử.
Vì sao công nghệ lượng tử trở thành cuộc đua toàn cầu?
Tính đến nay, khoa học đã đạt đến giai đoạn mà việc điều khiển từng hệ lượng tử không còn chỉ là ý tưởng lý thuyết. Các phòng thí nghiệm đã tạo ra qubit, mạng truyền thông lượng tử, cảm biến cực nhạy và những nguyên mẫu có thể vận hành.
Bên cạnh đó, công nghệ lượng tử được kỳ vọng sẽ tạo ra những đột phá trong nhiều lĩnh vực chiến lược như an ninh mạng, quốc phòng, dược phẩm, vật liệu mới, năng lượng, tài chính, viễn thông và đo lường chính xác.
Công nghệ lượng tử trở thành cuộc đua công nghệ toàn cầu (Ảnh: Lawrence Berkeley National Laboratory).
Chỉ cần một số ứng dụng được hiện thực hóa thành công cũng có thể mang lại lợi thế lớn về khoa học, công nghệ và kinh tế.
Ở góc độ rộng hơn, công nghệ lượng tử còn gắn với vấn đề chủ quyền công nghệ. Quốc gia làm chủ được nguồn nhân lực, công nghệ lõi, tiêu chuẩn và chuỗi cung ứng lượng tử sẽ có lợi thế lớn hơn về tự chủ công nghệ, đồng thời giảm sự phụ thuộc vào các nền tảng và giải pháp nhập khẩu.
Vì vậy, đầu tư cho công nghệ lượng tử không chỉ nhằm sở hữu một hệ thống máy tính lượng tử, mà quan trọng hơn là xây dựng một hệ sinh thái phát triển bền vững, bao gồm các trường đại học, viện nghiên cứu, doanh nghiệp, hạ tầng nghiên cứu, hệ thống tiêu chuẩn và nguồn nhân lực chất lượng cao.
