Giấc mơ lượng tử

Một trong những kì vọng lớn nhất của nhân loại hiện nay là làm ra máy tính lượng tử phục vụ cuộc sống. Cơ học lượng tử ra đời từ đầu thế kỉ 20 với những thành tựu chói sáng như là Nguyên lý bất định mang tên nhà Vật lý lý thuyết người Đức Werner Heisenberg, định luật bức xạ của Max Planck, mô hình nguyên tử của Niels Bohr. Cơ học lượng tử đóng góp vào văn minh nhân loại, nhờ đó con người có thể giải thích được những hiện tượng vật lý/hóa học xảy ra ở cấp độ nguyên tử, từ đó có được những phát minh và sáng chế ứng dụng thiết thực cho cuộc sống. Các thành quả từ lý thuyết lượng tử nổi bật bao gồm vật liệu bán dẫn, kính hiển vi, chụp cộng hưởng từ… Các máy tính lượng tử mạnh có khả năng dự đoán kết quả của các phản ứng hóa học, tìm kiếm cơ sở dữ liệu lớn hoặc lĩnh vực số lớn, chẳng hạn như những máy tính được sử dụng trong mã hóa. Cuộc đua trên thế giới nhằm trở thành người đầu tiên sáng chế ra máy lượng tử có thể được đặt mốc thời gian vào đầu những năm 80 của thế kỷ 20, khi mà ý tưởng về một thiết bị lượng tử dựa trên mô hình Turing được đề xuất bởi nhà vật lý Paul Benioff. Tính đến nay, một trong những đột phá lớn nhất trong lĩnh vực có thể kể đến đó là sức mạnh siêu việt của mô hình máy tính lượng tử được tạo bởi Google (10/2019). Máy tính lượng tử này đã hoàn thành một bài toán siêu phức tạp trong vòng 200 giây, trong khi đó siêu máy tính mạnh nhất cùng thời điểm phải mất đến 10000 năm mới có thể giải quyết được bài toán này.

Cuộc đua lượng tử

Công nghệ lượng tử đã nhận được sự hỗ trợ rất lớn từ chính phủ của các siêu cường trên thế giới. Chương trình lượng tử (Quantum Flagship) trị giá 1 tỷ Euro (1,1 tỷ USD) của Liên minh châu Âu, lần đầu tiên được công bố vào năm 2016 [1]. Các đề xuất cụ thể đã được đưa ra một năm sau đó. Chương trình này bao gồm năm lĩnh vực: máy tính lượng tử; mô phỏng lượng tử; cảm biến và đo lường lượng tử; truyền thông lượng tử; và khoa học lượng tử cơ bản. Trong những năm đầu, sản phẩm dự kiến của chương trình sẽ là các dự án phát triển công nghệ, như bộ xử lý lượng tử trên chip silicon chẳng hạn. Vào ngày 26/9/2018, chính phủ Đức đã quyết định tài trợ cho dự án phát triển công nghệ lượng tử tại nước này với gói đầu tư lên đến 650 triệu Euro [2]. Bộ Giáo dục và Nghiên cứu Liên bang Đức (BMBF) cho biết, chương trình được lên kế hoạch cho giai đoạn 2018-2022, sau đó có thể được mở rộng đến năm 2028. Chương trình này có sự tham gia của BMBF, Bộ Kinh tế, Bộ Nội vụ và Bộ Quốc phòng. Chương trình đặt ra một số mục tiêu cơ bản: Mở rộng nghiên cứu về công nghệ lượng tử; Tạo mạng lưới nghiên cứu cho các ứng dụng mới; Thiết lập các dự án hàng đầu tạo năng lực cạnh tranh công nghiệp; Đảm bảo an ninh và chủ quyền công nghệ; Định hình hợp tác quốc tế; Thu hút sự chú ý của công chúng. Chính phủ Trung Quốc và Hoa Kỳ cũng đã có kế hoạch chi hàng tỷ USD cho các chương trình khoa học và công nghệ lượng tử [4]. Theo báo cáo nghiên cứu thị trường của Patinformatics, tính tới năm 2017, Trung Quốc đã có gần gấp đôi số bằng sáng chế so với Hoa Kỳ xét trên tổng thể các ngành liên quan đến công nghệ lượng tử (Hình 1).

Hình 1. Phân bổ số lượng bằng sáng chế trong lĩnh vực công nghệ lượng tử (Theo The Washington Post)

Mặc dù vậy, Hoa Kỳ hiện đang dẫn đầu thế giới về các bằng sáng chế liên quan đến phân khúc máy tính lượng tử, được đánh giá cao nhất của lĩnh vực này nhờ vào sự đầu tư lớn của các tập đoàn khổng lồ như IBM, Google, Microsoft (Hình 2).

Hình 2. Phân bổ số lượng bằng sáng chế trong lĩnh vực máy tính lượng tử (Theo The Washington Post)

Gói đầu tư 50 tỷ Rúp cho nghiên cứu ban đầu và “bàn cờ” lượng tử

Các chuyên gia Nga nhận định, trình độ công nghệ lượng tử của Nga chậm khoảng 5 đến 10 năm so với mặt bằng chung. Tuy nhiên, giới chuyên môn Nga cũng đánh giá thị trường công nghệ lượng tử có rất nhiều tiềm năng và các nhà khoa học Nga cũng đang theo dõi rất sát những gì đang diễn ra trên thế giới. Một kỹ sư tại Đại học Khoa học và Công nghệ Quốc gia ở Moscow cho rằng, lý do chính khiến Nga bị tụt lại so với thế giới là do khoản đầu tư hạn chế của quốc gia vào lĩnh vực đầy tiềm năng này.

Phó Thủ tướng Nga - Maxim Akimov đã công bố vào ngày 6/12/2019 tại Diễn đàn công nghệ ở Sochi rằng, Chính phủ Nga sẽ đầu tư khoảng 50 tỷ Rúp (tương đương 790 triệu USD) trong 5 năm tới vào các nghiên cứu lượng tử cơ bản và lượng tử ứng dụng tại các phòng thí nghiệm hàng đầu [1]. Gói đầu tư ban đầu này là một phần của chương trình trị giá 258 tỷ Rúp cho nghiên cứu và phát triển công nghệ kỹ thuật số được cho là vô cùng quan trọng trong công cuộc hiện đại hóa và đa dạng hóa nền kinh tế Nga. Ông Mitchsey Fedorov, nhà vật lý lượng tử tại Trung tâm lượng tử Nga (RQC) thuộc cơ sở nghiên cứu tư nhân ở Skolkovo gần Moscow đánh giá, gói đầu tư là một sự thúc đẩy thực sự. Nếu thực hiện đúng kế hoạch thì đây sẽ là một bước ngoặt để đưa khoa học lượng tử Nga vươn tầm thế giới. Với sự đầu tư mạnh tay của chính phủ, đây sẽ là một khởi đầu đầy hứa hẹn để thúc đẩy phát triển nghiên cứu lượng tử ở Nga.

Gói ngân sách ban đầu trị giá 50 tỷ Rúp được đưa ra với hy vọng hồi sinh khoa học lượng tử ở Nga trước sự ra đi của các nhà nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực từ những năm 1990 đến 2000. Lý do rời đi của những nhà khoa học này được cho là do kinh phí đầu tư hạn hẹp trước đó, khoa học lượng tử không thể phát triển với cơ sở vật chất nghèo nàn. Một trong số họ có thể kể đến là Mikhail Lukin và Eugene Demler, hiện đang nghiên cứu tại Đại học Harvard ở Cambridge, Massachusetts, đồng thời là thành viên trong ban cố vấn quốc tế của RQC.

Alexey Ustinov, một chuyên gia gốc Nga trong lĩnh vực vật liệu ngưng tụ tại Viện Công nghệ Karlsruhe ở Đức, đã đồng ý quay trở lại thành lập một nhóm nghiên cứu tại quê hương mình nhận kinh phí từ khoản đầu tư này. Theo Ustinov, các nhà khoa học Nga đặt mục tiêu xây dựng các phương pháp tiếp cận riêng biệt để xây dựng các máy tính lượng tử quy mô lớn.

Nga ra mắt mẫu máy tính lượng tử dựa trên các vật liệu siêu dẫn đầu tiên

Ngày 2/10/2019, các nhà khoa học tại trường đại học Khoa học công nghệ quốc gia MISIS (NUST MISIS) Nga đã nghiên cứu thành công mẫu máy tính lượng tử đầu tiên [2]. Thiết bị này được xây dựng dựa trên 2 bit lượng tử (qubit), đã thực hiện thành công thuật toán lượng tử cụ thể, vượt qua giới hạn độ chính xác đã biết trước đó 3%. Điều đáng chú ý, vật liệu siêu dẫn được lấy làm cơ sở cho các qubit này. Dự án này được thực hiện từ năm 2016, nằm trong khuôn khổ Quỹ thúc đẩy Nghiên cứu tiên tiến Nga (Russian Foundation for Advanced Research Projects) dưới sự giám sát của Valery Ryazanov, Trưởng phòng nghiên cứu vật liệu siêu dẫn của trường đại học NUST MISIS.

Bit lượng tử (qubit) là trái tim của máy tính lượng tử, chức năng tương tự như những bit của một chiếc máy tính bình thường, nhưng lại có sức mạnh vượt trội hơn rất nhiều. Những chiếc máy tính thông thường chỉ làm việc được trên hệ nhị phân, nghĩa là mỗi một bit thông tin chỉ có thể được mã hóa thành 0 hoặc 1. Với qubit, tồn tại tính chất được gọi là siêu vị trí (chồng chập lượng tử) cho phép chúng có khả năng đồng thời ở cả hai trạng thái tại cùng một thời điểm. Tính chất này mở ra một tiềm năng cực lớn, máy tính lượng tử có khả năng tính toán vượt trội hơn nhiều lần so với những thiết bị tính toán mạnh nhất hiện nay.

Đáng chú ý hơn, qubit dựa trên vật liệu siêu dẫn vượt trội hơn những qubit thông thường khác. Chẳng hạn như, qubit dựa trên những nguyên tử độc lập có thể bị mất bởi kích cỡ quá nhỏ của chúng; qubit dựa trên ion thì lại có điểm yếu là chúng chỉ có thể được sắp xếp tuyến tính. Với những qubit được tạo ra tại NUST MISIS từ vật liệu nhôm, có kích cỡ khoảng 3000 microns, chúng không thể bị mất đi và có khả năng được sắp xếp phi tuyến tính.

Các nhà khoa học tại NUST MISIS đã thiết kế thuật toán và xây dựng điều kiện thử nghiệm lý tưởng (nhiệt độ đạt ngưỡng cực thấp tại -273.14oC, xấp xỉ ngưỡng nhiệt độ tuyệt đối). Bộ vi xử lý do đại học công nghệ của bang Bauman Moscow sản xuất đã được sử dụng trong dự án. Trong điều kiện thử nghiệm, máy tính lượng tử của NUST MISIS đã giải được bài toán lượng tử Grover. Điều đặc biệt, chiếc máy tính có thể tìm ra nghiệm x chính xác chỉ trong một lần tính toán với xác suất 100%.

IIya Besedin, kỹ sư làm việc tại Viện nghiên cứu vật liệu siêu dẫn và cũng là một trong những người tham gia dự án này cho biết, thuật toán 2 qubit của Grover là một bước rất quan trọng tiến tới chế tạo máy tính lượng tử. Tuy không phải là những người đầu tiên trên thế giới tìm ra lời giải của thuật toán này, nhưng nhóm chuyên gia cũng đã đạt được những thành tựu nhất định trong lĩnh vực này. Các nhà khoa học đã chỉ ra khả năng thiết lập được những toán tử logic cho một bộ vi xử lý lượng tử, ví dụ như toán tử khởi động, toán tử đơn qubit và toán tử đôi qubits. Khó khăn lớn nhất trong việc tạo ra một chiếc máy tính có thể sử dụng trên thực tế là sai số trong các toán tử. Không giống những máy tính thông thường, máy tính lượng tử bị ảnh hưởng bởi nhiễu loạn, điều này có thể làm sai lệch đi đáp số của những toán tử cấu thành. Trong trường hợp bài toán lượng tử của Grover, các toán tử con bao gồm: 1 toán tử khởi động 2 qubit, 1 toán tử nhập vào 2 qubit, 4 toán tử 1 qubit và 2 toán tử 2 qubit. Sai số có thể tới từ một hoặc nhiều toán tử con trong số kể trên. Tuy nhiên, mô hình máy tính lượng tử 2 qubit của trường đại học NUST MISIS đã thành công vượt qua bài kiểm tra xác suất chính xác (tối thiểu 50% độ chính xác cho một đáp án), đạt được xác suất chính xác là 53%.

Thay cho lời kết

Mặc dù đã đạt được những thành công nhất định, nhưng giới chuyên môn cũng đồng quan điểm rằng công nghệ lượng tử Nga còn cả một chặng đường dài phía trước. So sánh với những thành tựu mà Google đã đạt được, như là xây dựng bộ vi xử lý gồm 53 qubit siêu dẫn thì kết quả đạt được của các nhà khoa học Nga còn rất khiêm tốn. Tuy nhiên, các nhà khoa học trong lĩnh vực “bất định” này nhận định rằng, ngay cả khi đạt được năng lực tính toán siêu việt, việc áp dụng máy tính lượng tử vào thực tế còn nhiều gian nan như phải khắc sai số lượng tử và rất nhiều thách thức khác về mặt kỹ thuật. Giấc mơ đạt được lợi thế lượng tử, làm chủ sức mạnh tính toán siêu việt của máy tính lượng tử không chỉ ở Mỹ, châu Âu, Trung Quốc, Nga… mà còn ở bất kỳ quốc gia và vùng lãnh thổ khác. Công cuộc hiện thực hóa công nghệ lượng tử đòi hỏi sự nỗ lực từ nghiên cứu ứng cơ bản đến nghiên cứu ứng dụng và cần phải đầu tư lớn về tài chính, nhân lực, vật lực. Hiện tại, các phòng nghiên cứu của Nga chưa đủ sức cạnh tranh với các "người khổng lồ" trong ngành như Google hay IBM.

Các chuyên gia cũng cho rằng, sự hỗ trợ nghiêm túc của chính phủ sẽ tạo bước ngoặt quan trọng cho khoa học lượng tử Nga. Cùng với ngân sách đầu tư từ chính phủ và xây dựng lại niềm tin vào hệ thống khoa học Nga cũng như thiết lập lại truyền thống giáo dục Nga, người ta có thể kỳ vọng vào những thành tựu đột phá của công nghệ lượng tử thế giới.