Vì sao công nghệ lượng tử vẫn chưa phổ biến sau hàng chục năm nghiên cứu?

Vì sao công nghệ lượng tử vẫn chưa phổ biến?

Cơ học lượng tử đã được nghiên cứu và phát triển hơn một thế kỷ, đồng thời hiện diện trong nhiều công nghệ quen thuộc của đời sống hiện đại. Transistor, chip bán dẫn, laser, đồng hồ nguyên tử, máy cộng hưởng từ cùng nhiều thiết bị quang học đều được phát triển dựa trên các nguyên lý của cơ học lượng tử.

Ngược lại, các công nghệ lượng tử thế hệ mới vẫn đang trong quá trình phát triển.

Điểm cốt lõi của các công nghệ này là điều khiển từng nguyên tử, photon hoặc trạng thái lượng tử riêng lẻ nhằm thực hiện các tác vụ tính toán, truyền thông và đo lường.

Theo PGS.TS Đinh Trung Hòa (Đại học Troy, Mỹ), rào cản đầu tiên nằm ở chỗ các trạng thái lượng tử rất mong manh. Chúng dễ bị phá vỡ bởi nhiệt độ, rung động, nhiễu điện từ hoặc những tương tác rất nhỏ với môi trường, khiến qubit có thể mất trạng thái lượng tử trước khi phép tính hoàn thành.

Khi phép tính lượng tử ngày càng phức tạp, những sai số rất nhỏ ở từng bước có thể tích tụ và làm giảm độ chính xác của kết quả. Đây là lý do các nhà khoa học phải phát triển công nghệ sửa lỗi lượng tử.

Tuy nhiên, để tạo ra một qubit logic hoạt động ổn định, hệ thống thường phải sử dụng rất nhiều qubit vật lý.

Việc chế tạo và vận hành công nghệ lượng tử đòi hỏi những điều kiện kỹ thuật rất khắt khe.

Tùy từng nền tảng công nghệ, hệ thống có thể phải hoạt động ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối hoặc sử dụng laser siêu chính xác, buồng chân không và các thiết bị quang học tinh vi. Vì vậy, từ khâu chế tạo đến vận hành, đo đạc và hiệu chuẩn đều là những thách thức lớn.

Không chỉ vậy, để điều khiển vài qubit đã khó, nhưng điều khiển đồng thời hàng nghìn hoặc hàng triệu qubit với độ chính xác cao là thách thức hoàn toàn khác.

"Ngay cả khi phần cứng được cải thiện, việc tìm được đúng bài toán để phát huy lợi thế của máy tính lượng tử vẫn là điều kiện quyết định" PGS Đinh Trung Hòa thông tin.

Máy tính lượng tử không nhanh hơn máy tính truyền thống trong mọi nhiệm vụ. Một ứng dụng chỉ thực sự có ý nghĩa khi đồng thời đáp ứng ba điều kiện: phần cứng đủ tốt, thuật toán tạo được lợi thế và bài toán có giá trị kinh tế hoặc xã hội đủ lớn.

Đặc biệt, một nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm chưa đủ để trở thành sản phẩm thương mại.

Công nghệ này còn cần chuỗi cung ứng, linh kiện tiêu chuẩn, quy trình sản xuất, đội ngũ kỹ sư, phần mềm, bảo trì và thị trường. Vì vậy, khoảng cách từ kết quả nghiên cứu đến một sản phẩm đáng tin cậy thường dài hơn nhiều so với hình dung của công chúng.

Một số công nghệ lượng tử đã bước ra khỏi phòng thí nghiệm

Theo PGS.TS Đinh Trung Hòa, nhận định cho rằng công nghệ lượng tử hiện vẫn chủ yếu ở giai đoạn thử nghiệm trong phòng thí nghiệm chỉ đúng một phần, bởi các nhánh công nghệ lượng tử đang có mức độ phát triển rất khác nhau.

Đối với máy tính lượng tử đa dụng có khả năng sửa lỗi và giải các bài toán lớn, lĩnh vực này vẫn mang đậm tính nghiên cứu và thử nghiệm.

Các hệ thống hiện nay đã có thể được truy cập thông qua nền tảng điện toán đám mây để phục vụ đào tạo và nghiên cứu thuật toán, nhưng chưa thể thay thế máy tính truyền thống.

Tuy nhiên, không phải mọi công nghệ lượng tử đều ở cùng một giai đoạn phát triển.

Đồng hồ nguyên tử từ lâu đã trở thành nền tảng của các hệ thống định vị và đồng bộ thời gian.

Cảm biến lượng tử cũng đang được ứng dụng hoặc thử nghiệm trong đo từ trường, đo trọng lực, địa chất, dẫn đường và y sinh.

Máy phát số ngẫu nhiên lượng tử đã có sản phẩm thương mại, trong khi một số hệ thống phân phối khóa lượng tử đã được triển khai trong các mạng truyền thông chuyên dụng.

Có thể thấy, một số công nghệ lượng tử đã bước ra khỏi phòng thí nghiệm, một số đang ở giai đoạn nguyên mẫu hoặc thị trường ngách, trong khi những mục tiêu tham vọng nhất vẫn là bài toán nghiên cứu dài hạn.

Bao giờ công nghệ lượng tử có thể được ứng dụng rộng rãi?

"Rất khó đưa ra một mốc thời gian chung cho toàn bộ công nghệ lượng tử, bởi mỗi nhánh công nghệ có tốc độ phát triển khác nhau" PGS Đinh Trung Hòa nhận định

Trong khoảng 3-5 năm tới, những tiến bộ rõ nét nhất có thể xuất hiện ở các công nghệ chuyên dụng như cảm biến lượng tử, đo lường chính xác, đồng hồ nguyên tử thế hệ mới, thiết bị tạo số ngẫu nhiên lượng tử, một số hệ thống truyền thông bảo mật và các công cụ mô phỏng lượng tử kết hợp với siêu máy tính.

Ở giai đoạn 5-10 năm tiếp theo, có thể xuất hiện thêm các hệ thống có qubit logic ổn định hơn và thực hiện được những phép tính mang ý nghĩa khoa học rõ rệt.

Tuy nhiên, điều quan trọng không chỉ là số lượng qubit mà còn là số qubit logic, độ chính xác của phép toán, thời gian duy trì trạng thái lượng tử, khả năng sửa lỗi và chi phí.

Đối với máy tính lượng tử có khả năng sửa lỗi hoàn chỉnh và giải các bài toán công nghiệp quy mô lớn, đây vẫn là mục tiêu dài hạn, có thể cần từ 10 năm trở lên.

Cần lưu ý, đây không phải là một mốc thời gian chắc chắn, bởi lĩnh vực này có thể xuất hiện những đột phá nhanh nhưng cũng có những rào cản kéo dài nhiều thập kỷ.

Theo PGS.TS Đinh Trung Hòa, Việt Nam không nên chờ đến khi công nghệ lượng tử hoàn thiện mới bắt đầu chuẩn bị.

"Điều quan trọng hiện nay là đầu tư cho nguồn nhân lực, nâng cao năng lực nghiên cứu, chuẩn bị cho mật mã hậu lượng tử và tạo điều kiện để các nhà khoa học, sinh viên tiếp cận các nền tảng lượng tử.

Về dài hạn, cần lựa chọn những hướng phù hợp với điều kiện của Việt Nam, đồng thời duy trì các nhóm nghiên cứu cơ bản đủ mạnh để tạo nền tảng cho phát triển công nghệ lượng tử", PGS Đinh Trung Hòa nêu quan điểm.