Công nghệ lượng tử vượt qua các nút thắt kỹ thuật, bước vào giai đoạn xác nhận thương mại hóa

30B năm sai số không vượt quá 1 giây, công nghệ lượng tử một lần nữa làm mới độ chính xác đo thời gian của nhân loại. Tháng 3 năm nay, nhóm nghiên cứu của Trường Khoa học và Kỹ thuật Trung Quốc (USTC) đã đạt được bước đột phá ở mức 10-19 trong phát triển đồng hồ quang, đưa chuẩn thời gian toàn cầu tiến vào thời đại quang học. Độ chính xác đo lường mới này đã mở ra cánh cửa cho một loạt ứng dụng tiên phong.

Cách đây một trăm năm, các nhà vật lý phát hiện rằng vật lý cổ điển không thể giải thích thế giới vi mô, và cơ học lượng tử đã ra đời. Ngày nay, công nghệ lượng tử đang vượt qua giới hạn của vật lý cổ điển, định nghĩa lại năng lực tính toán, độ chính xác cảm nhận và an ninh thông tin của con người.

Là một trong sáu ngành công nghiệp tương lai được nêu trong “Kế hoạch 5 năm lần thứ mười lăm” (15·5), công nghệ lượng tử là trụ cột quan trọng để nước ta giành lấy quyền diễn ngôn cốt lõi về công nghệ và công nghiệp trong tương lai. Hiện nay, trong cả ba đường đua lớn là điện toán lượng tử, truyền thông lượng tử và đo lường chính xác lượng tử, nước ta đều đã đạt được những bước đột phá. Các cơ quan nghiên cứu khoa học, tiêu biểu như USTC và Viện Nghiên cứu Lượng tử Quốc tế Thâm Quyến, cùng với các doanh nghiệp đầu tàu như Quốc Độn Lượng tử (Guodun Quantum), Quốc Nghi Lượng tử (Guoyi Quantum) và Bản Nguyên Lượng tử (Benyuan Quantum), đã nổi lên. Bức tranh phát triển theo hướng hình thành các cụm R&D dẫn dắt sự phát triển của ngành công nghiệp đã bắt đầu được định hình.

Tuy nhiên, từ các đột phá nguyên bản trong phòng thí nghiệm đến các ứng dụng quy mô hóa trong chuỗi công nghiệp, công nghệ lượng tử vẫn cần bắc qua nhiều “khoảng trống” lớn. Dưới sự dồn lực của nhiều bên, cuộc chiến chuyên đề này đang tiến gần đến điểm phá vỡ.

Chiếm lĩnh ba đường đua cốt lõi

Lượng tử là “đơn vị nhỏ nhất” cấu thành năng lượng của thế giới. Các nhà khoa học sử dụng những đặc tính của lượng tử để tái cấu trúc thế giới vĩ mô theo các quy luật của thế giới vi mô.

Trong lĩnh vực máy tính truyền thống, bit là đơn vị thông tin nhỏ nhất, gồm hai trạng thái 0 và 1; còn trong thế giới lượng tử, qubit có thể đồng thời ở trạng thái chồng chập của 0 và 1—tương tự như một đồng xu đang xoay vừa có thuộc tính mặt ngửa lẫn mặt ngửa của mặt kia; giữa nhiều qubit sẽ hình thành sự rối (entanglement), có thể dùng cho các phép tính phối hợp hiệu quả; tổng số trạng thái của n qubit có thể đạt tới 2 mũ n, từ đó nâng cấp chiều kích năng lực tính toán.

Trên ba đường đua cốt lõi là điện toán lượng tử toàn cầu, truyền thông lượng tử và đo lường chính xác lượng tử, các cơ quan nghiên cứu khoa học và doanh nghiệp của Trung Quốc đã thể hiện năng lực cứng mạnh mẽ sánh ngang với trình độ đỉnh cao quốc tế.

Điện toán lượng tử được thừa nhận rộng rãi là lĩnh vực khó nhất trong công nghệ lượng tử. Mục tiêu là phát minh máy tính lượng tử, thực hiện các nhiệm vụ tính toán mà máy tính cổ điển không thể hoàn thành; đây cũng là hướng tập trung nghiên cứu trọng điểm hiện nay của các nhà khoa học ở nhiều quốc gia và các “ông lớn” công nghệ như Microsoft, Google.

Bắt nguồn từ Phòng thí nghiệm trọng điểm thông tin lượng tử của Học viện Khoa học Trung Quốc, Bản Nguyên Lượng tử đã thành công trong việc chế tạo máy tính lượng tử siêu dẫn “Bản Nguyên Ngộ Không” (BenYuan WuKong) với chip lượng tử siêu dẫn siêu dẫn tự chủ 72 bit. Theo tìm hiểu, “Bản Nguyên Ngộ Không” thông qua sự tối ưu hóa phối hợp phần mềm và phần cứng giữa hệ điều hành máy tính lượng tử “Bản Nguyên Ty Nam” (BenYuan SiNan) và hệ thống điều khiển đo lường lượng tử “Bản Nguyên Thiên Cơ” (BenYuan TianJi); hiện nay đã vận hành ổn định hơn hai năm, tích lũy hoàn thành 800.000+ tác vụ tính toán lượng tử trên 163 quốc gia và khu vực trên toàn cầu.

Trong lĩnh vực truyền thông, phân phối khóa lượng tử có đặc tính nghe lén thì sẽ bị phát hiện, khiến truyền thông bước vào kỷ nguyên an toàn tuyệt đối. Quốc Độn Lượng tử (Guodun Quantum), nổi tiếng với truyền thông bảo mật lượng tử, dựa vào kế hoạch bằng sáng chế dẫn đầu toàn cầu trong lĩnh vực truyền thông lượng tử và các nền tảng khác, đã tự nghiên cứu và phát triển thiết bị cốt lõi của truyền thông bảo mật lượng tử thế hệ thứ năm, góp phần xây dựng đường trục “Kinh - Hàng” quy mô hàng nghìn km đầu tiên trên thế giới về truyền thông bảo mật lượng tử—“Đường trục Kinh - Hàng” (Jing-Hu), mạng xương sống truyền thông bảo mật lượng tử tầm rộng quốc gia, “mạng truyền thông bảo mật lượng tử tầm rộng tích hợp không gian và mặt đất” (“Thiên - Địa nhất thể quảng vực lượng tử bảo mật”) và các công trình trọng đại khác. Các dự án này đã cung cấp hỗ trợ công nghệ then chốt để truyền thông lượng tử đi từ phòng thí nghiệm đến các ứng dụng minh họa và triển khai quy mô hóa.

Quốc Nghi Lượng tử tập trung trọng điểm vào lĩnh vực đo lường chính xác lượng tử, tự nghiên cứu phát triển các thiết bị khoa học cao cấp. Người phụ trách liên quan của công ty cho biết với phóng viên Thời báo Chứng khoán rằng, lấy ví dụ bộ phận cốt lõi là đầu dò lượng tử kim cương (kim cương quantum probe). Đường kính đầu mũi của đầu dò chỉ 500 nanomet, khoảng 1/100 sợi tóc. Đầu mũi cực kỳ nhỏ này tích hợp bộ cảm biến cấp nguyên tử với kích thước chỉ khoảng 0,5 nanomet. Giống như nhiệt kế có thể cảm nhận nhiệt độ cơ thể con người, nếu muốn “khám” từng tế bào và phân tử riêng lẻ, thì cần công cụ đo lường vi mô và nhạy hơn; lúc này, thiết bị lượng tử phát huy tác dụng. Năm 2018, Quốc Nghi Lượng tử ra mắt máy quang phổ cộng hưởng từ điện tử thương mại X-band đầu tiên do nội địa sản xuất, đánh một phát phá vỡ sự độc quyền kỹ thuật của các thương hiệu nước ngoài, giúp công nghệ đo lường chính xác lượng tử của Trung Quốc đạt bước đột phá quan trọng về thương mại hóa theo hướng công nghiệp.

Hiện nay, bức tranh phát triển của nước ta trong ba lĩnh vực con của công nghệ lượng tử là khác nhau: trong lĩnh vực truyền thông bảo mật lượng tử, nước ta đang ở vị trí dẫn đầu toàn cầu; trong nghiên cứu máy tính lượng tử, nước ta đi song song với Hoa Kỳ, cùng thuộc nhóm hàng đầu toàn cầu; trong đo lường chính xác lượng tử, nước ta ở mức dẫn đầu cục bộ trong một số đường đua con, nhưng vẫn còn khoảng cách so với các nước phát triển trong các lĩnh vực như thiết bị khoa học cao cấp.

Nút thắt công nghệ cần tập trung giải quyết

Ngành thiết bị khoa học cao cấp của nước ta khởi đầu muộn hơn, nên trong chuỗi cung ứng thượng nguồn, việc nội địa hóa các linh kiện tinh xảo, trình độ cao còn tồn tại rõ rệt những điểm yếu. Các bộ máy đo lường toàn bộ cỡ trung-cao cấp trong đo lường lượng tử từng bị các “ông lớn” quốc tế độc quyền trong thời gian dài, thậm chí còn phải đối mặt với các lệnh kiểm soát xuất khẩu và phong tỏa kỹ thuật từ các nước phương Tây. Ngoài ra, nguồn nhân lực lượng tử cao cấp đa ngành—vừa có nền tảng lý thuyết sâu dày vừa có kinh nghiệm thương mại hóa—lại cực kỳ thiếu hụt, trở thành một trong những nút thắt quan trọng cản trở sự phát triển của ngành.

Thực tế nghiêm khắc buộc doanh nghiệp Trung Quốc phải đi theo con đường riêng. Người phụ trách liên quan của Quốc Nghi Lượng tử cho biết để ứng phó với thách thức bên ngoài, công ty đã tự mình vượt qua và nắm vững các công nghệ “phần lõi cứng” ở lớp nền như “phát sinh và điều khiển trường từ đồng nhất ổn định cao”, “kỹ thuật vi sóng điều khiển spin”, “thiết kế và gia công cảm biến lượng tử”, v.v., qua đó thúc đẩy thiết bị từ bộ phận lõi đến hệ thống máy hoàn chỉnh đạt được tự chủ và kiểm soát. Đồng thời, công ty cũng xây dựng kế hoạch phát triển rõ ràng: ở thượng nguồn, đi sâu vào hợp tác chuỗi cung ứng nội địa, thúc đẩy tự nghiên cứu và tự sản xuất các bộ phận then chốt, toàn diện nâng cao tính tự chủ và sức chống chịu của chuỗi cung ứng; ở hạ nguồn, dựa vào “Hung cốc lượng tử” (量子科仪谷) để thúc đẩy xây dựng mạng lưới ứng dụng toàn cầu, tăng tốc triển khai thương mại hóa công nghệ lượng tử trong các lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, sức khỏe sinh mệnh và năng lượng.

Phó tổng giám đốc Quốc Độn Lượng tử Chu Lôi cho biết: khi công nghệ phòng thí nghiệm bước ra thương mại hóa, điều then chốt là đạt được tính tự chủ và kiểm soát đối với các linh kiện cốt lõi, đồng thời thúc đẩy sản phẩm ổn định, đáng tin cậy đạt được quá trình hóa thành quy trình kỹ thuật và ứng dụng quy mô. Trong quá trình phát triển, công ty từng đối mặt với một loạt thách thức như nguồn cung linh kiện lõi bị hạn chế, độ khó tích hợp sản phẩm đầu cuối lớn, và tính phức tạp của dự án xây dựng mạng lưới. Lấy ví dụ cảm biến dò photon đơn (single-photon detector): từ những năm trước, các sản phẩm quốc tế có giá cao và tỷ lệ đạt chuẩn thấp đã hạn chế nghiêm trọng sự phát triển của ngành truyền thông lượng tử ở Trung Quốc. Trước tình huống thụ động “kẹt cổ” do linh kiện cốt lõi, Quốc Độn Lượng tử đã phối hợp với các đơn vị có lợi thế trong nước; sau hơn ngàn lần thử nghiệm và tập trung công phá, công ty đã phát triển cảm biến dò photon đơn nội địa có hiệu năng vượt trội đáng kể so với các sản phẩm tương tự quốc tế. Chuỗi sản phẩm này đã hỗ trợ các dự án trọng đại như “Đường trục Kinh - Hàng” (Jing-Hu), “Mạng truyền thông bảo mật lượng tử tầm rộng tích hợp Thiên - Địa” (天地一体广域量子保密通信网络) và các dự án khác, đặt nền tảng vững chắc cho sự phát triển quy mô của truyền thông lượng tử.

Năm 2025, Quốc Độn Lượng tử ra mắt bộ dò photon đơn làm lạnh sâu 4 kênh đầu tiên trên toàn cầu. Các chỉ tiêu then chốt như hiệu suất dò, nhiễu tối (dark noise) và mức độ tích hợp đã làm mới kỷ lục thế giới (600628). Thể tích chỉ bằng 1/9 của các sản phẩm cùng loại trên thị trường quốc tế. Hiện tại, loạt cảm biến dò photon đơn do công ty tự nghiên cứu và phát triển có thể đáp ứng hầu hết các kịch bản ứng dụng dò photon đơn, cung cấp các giải pháp có hiệu quả chi phí cao cho các ứng dụng thực tế như phân phối khóa lượng tử khoảng cách siêu xa và chụp ảnh photon đơn.

Nhờ kế hoạch mang tính tầm nhìn của Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Quảng Đông, Viện Nghiên cứu Lượng tử Quốc tế Thâm Quyến đã sớm bố trí R&D đối với các thiết bị cốt lõi của công nghệ lượng tử như máy khắc chùm điện tử (electron lithography), đầu lạnh nhiệt độ thấp (low-temperature cold head), máy làm lạnh pha loãng (dilution refrigerator). Trước khi các nước nước ngoài áp dụng cấm vận công nghệ và phong tỏa đối với Trung Quốc, các công nghệ liên quan đã cơ bản được nghiên cứu và phát triển thành công, và đã vượt qua được sự phong tỏa “kẹt cổ” của công nghệ từ nước ngoài.

“Dọc đường đẻ trứng” hướng tới thương mại hóa

Tại một phòng thí nghiệm điện toán lượng tử, phóng viên nhìn thấy một đôi câu đối. Bên trên viết: “Dốc sức chặt gai đo dữ liệu, cùng gió vượt sóng làm ra lõi”, câu hoành là “Không bao giờ nộp bản thảo lùi bước”. Sự thật là điện toán lượng tử ở nước ta, sau khi đã đạt được bước đột phá về việc công bố luận văn cốt lõi và vượt qua nút thắt kỹ thuật, vẫn cần tiến tới thương mại hóa và thương mại hóa đại chúng.

Chu Lôi cho biết, lộ trình phát triển của công nghệ lượng tử không đi theo hướng truyền thống là khi công nghệ đã chín muồi thì mới đẩy ra thị trường, mà là con đường phát triển đổi mới với việc gắn kết sâu giữa nghiên cứu khoa học và ngành công nghiệp, theo cách “dọc đường đẻ trứng”.

“Dọc đường đẻ trứng” là một cách nói trong giới công nghệ lượng tử, ý nghĩa là trong quá trình chinh phục đỉnh cao khoa học, các thành quả kỹ thuật theo từng giai đoạn được chuyển đổi kịp thời thành sản phẩm đưa vào thực tế. Mô hình “dọc đường đẻ trứng” xuyên suốt cả ba lĩnh vực lớn là truyền thông lượng tử, điện toán lượng tử và đo lường lượng tử, và cũng đang trở thành lộ trình cốt lõi trong một giai đoạn sắp tới để công nghệ lượng tử đi từ phòng thí nghiệm ra thị trường.

Giám đốc Viện Nghiên cứu Lượng tử Quốc tế Thâm Quyến, viện sĩ của Học viện Khoa học Trung Quốc, Dư Đại Bằng cho phóng viên biết: việc phát triển thiết bị khoa học phải đạt được sản xuất hàng loạt và thương mại hóa (thì mới thực sự tạo ra giá trị). Trong quá khứ, nhiều dự án phát triển thiết bị ở các quốc gia khác, sau khi làm ra mẫu thử và được nghiệm thu thì đã bị gác lại, khiến công nghệ cuối cùng bị thất thoát. Xuất phát từ điều đó, Viện Nghiên cứu Lượng tử Quốc tế Thâm Quyến được thành lập bởi đội ngũ sáng lập do các tài năng trẻ từ các nhóm R&D đảm nhiệm; mỗi người tự lập công ty, tập trung vào các công nghệ lõi và sản phẩm khác nhau để thực hiện thương mại hóa. Các sản phẩm liên quan đã bắt đầu được bán ra thị trường. Chỉ trong một năm ngoái, viện đã ươm tạo được tám doanh nghiệp công nghệ như vậy; trong đó các doanh nghiệp như Khôn Đằng Xuất Sắc (鲲腾卓越) đã thể hiện năng lực R&D mạnh mẽ và tiềm năng thương mại hóa trong lĩnh vực phần cứng điện toán lượng tử. Thực tiễn của Viện Nghiên cứu Lượng tử Quốc tế Thâm Quyến chính là một cách làm điển hình của “dọc đường đẻ trứng”.

Hiện nay, dù một số doanh nghiệp tuyên bố đã đạt đột phá thương mại hóa, nền tảng tổng thể vẫn còn khá mỏng. Ví dụ, đa số doanh nghiệp có đối tượng bán hàng chủ yếu là các trường đại học và tổ chức nghiên cứu khoa học, phục vụ mục đích nghiên cứu; quy mô thị trường của các kịch bản này tương đối nhỏ. Trong tương lai, vẫn cần mở rộng thêm các kịch bản ứng dụng quy mô hóa như dân dụng, công nghiệp, để thúc đẩy ngành công nghiệp thực sự thực hiện bước nhảy hoàn chỉnh từ phòng thí nghiệm sang chuỗi công nghiệp.

Nhiều người được phỏng vấn trong ngành cho biết: hiện nay sự phát triển kỹ thuật của điện toán lượng tử vẫn chưa đạt đến giai đoạn thương mại mà thị trường hình dung. Điện toán lượng tử vẫn là thiết bị nghiên cứu khoa học; chưa xuất hiện một năng lực tính toán mới có thể triển khai để cung cấp trực tiếp dịch vụ thực dụng cho doanh nghiệp. Khách hàng ở hạ nguồn cũng chỉ giới hạn trong các viện nghiên cứu khoa học, các trường đại học và một số ít doanh nghiệp đổi mới; dùng để thử nghiệm kỹ thuật và nghiên cứu. Ngoài việc, trong một số bài toán toán học được thiết kế riêng cho máy tính lượng tử, đã đạt được ưu thế lượng tử (quantum advantage), thì nhiệm vụ cốt lõi của điện toán lượng tử ở giai đoạn hiện tại vẫn là đuổi kịp máy tính cổ điển.

“Trong ngắn hạn, mục tiêu cốt lõi của doanh nghiệp điện toán lượng tử là sống sót, tích lũy liên tục công nghệ, nuôi dưỡng thị trường, chờ đợi sự chín muồi đồng thời của công nghệ và thị trường.” Dư Đại Bằng cho rằng: ngành công nghiệp lượng tử là cuộc đua dài hạn; còn điện toán lượng tử cần giai đoạn 5—10 năm để nuôi dưỡng. Ông đề xuất: duy trì mức đầu tư R&D cường độ cao, hoàn thiện hệ thống đào tạo nhân lực, tăng cường sự phối hợp chuỗi công nghiệp, và định hướng cho dòng vốn kiên nhẫn để bố trí, qua đó thúc đẩy nước ta từ “cường quốc công nghệ lượng tử” tiến lên “quốc gia mạnh về công nghệ lượng tử”, hỗ trợ mục tiêu của giai đoạn “15·5” là “truyền thông lượng tử dẫn đầu toàn cầu, điện toán lượng tử đạt đột phá ứng dụng thực dụng, đo lường lượng tử triển khai theo quy mô”.

(Ban biên tập: Trương Yến)

     【Tuyên bố miễn trừ】Bài viết này chỉ thể hiện quan điểm cá nhân của tác giả, không liên quan gì đến Hexun. Trang web Hediến đối với các nhận định, quan điểm và phán đoán được nêu trong bài vẫn giữ thái độ trung lập, không cung cấp bất kỳ bảo đảm minh thị hay ngầm định nào về tính chính xác, độ tin cậy hoặc sự toàn diện của nội dung. Xin độc giả chỉ xem như tham khảo và tự chịu mọi trách nhiệm. Email: news_center@staff.hexun.com

Báo cáo