Công nghệ lượng tử vượt qua các nút thắt kỹ thuật then chốt, ba lĩnh vực cốt lõi bước vào giai đoạn xác nhận thương mại hóa

Tờ Thời báo Chứng khoán: Dư Thắng Lương, Diệp Linh Trân

8B năm sai số không quá 1 giây, công nghệ lượng tử lại một lần nữa làm mới độ chính xác đo thời gian của nhân loại. Tháng 3 năm nay, nhóm nghiên cứu của Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) đã đạt được bước đột phá ở mức 10^[-19] trong phát triển đồng hồ quang (quang học), đưa các chuẩn thời gian toàn cầu bước vào kỷ nguyên quang học. Độ chính xác đo lường mới này mở ra cánh cửa cho hàng 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 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 của con người, độ chính xác cảm nhận và bảo mật thông tin.

Là một trong sáu ngành công nghiệp tương lai được nêu trong “Kế hoạch 15 năm lần thứ năm” (Kế hoạch “Mười lăm lần năm năm”), công nghệ lượng tử là trụ cột quan trọng để nước ta giành quyền chủ động trong diễn ngôn lõi về khoa học công nghệ và công nghiệp trong tương lai. Hiện nay, nước ta đã đạt được những bước đột phá ở cả ba đường đua lớn là tính toán lượng tử, truyền thông lượng tử và đo lường chính xác lượng tử. Các cơ sở nghiên cứu, tiêu biểu như USTC và Viện Nghiên cứu Lượng tử Quốc tế Thâm Quyến, cùng với các doanh nghiệp đầu tàu, tiêu biểu như GuoDun Quantum, GuoYi Quantum và BenYuan Quantum, đã nổi lên. Bức tranh phát triển theo cụm R&D kéo theo sự phát triển công nghiệp đã hình thành ở giai đoạn ban đầu.

Tuy nhiên, từ các đột phá nguyên gốc trong phòng thí nghiệm đến các ứng dụng quy mô trong chuỗi công nghiệp, công nghệ lượng tử vẫn cần vượt qua nhiều “khoảng cách”. Dưới sự dốc sức của nhiều bên, cuộc chiến công kiên này đang tiến gần đến bước ngoặt.

Giành lấy ba đường đua cốt lõi

Lượng tử là “đơn vị nhỏ nhất” cấu thành năng lượng của thế giới. Các nhà khoa học tận dụng các đặc tính của lượng tử để dùng quy luật của thế giới vi mô tái định hình thế giới vĩ 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 0 và 1, giống như một đồng xu đang quay vừa mang thuộc tính hai mặt thuận/ngược; giữa nhiều qubit sẽ hình thành sự rối (entanglement), có thể dùng cho các phép toán phối hợp hiệu quả; tổng số trạng thái của n qubit có thể đạt tới 2 mũ n, qua đó nâng cấp chiều kích năng lực tính toán.

Trên ba đường đua cốt lõi là tính toán lượng tử, truyền thông lượng tử và đo lường chính xác lượng tử, các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp của Trung Quốc đã thể hiện sức mạnh “đủ cứng” tương xứng với trình độ hàng đầu quốc tế.

Tính toán lượng tử được công nhận là lĩnh vực có độ khó cao nhất trong công nghệ lượng tử. Mục tiêu là phát minh máy tính lượng tử, thực hiện các tác vụ mà máy tính cổ điển không thể hoàn thành—đây cũng là hướng tấn công trọng điểm hiện nay của các nhà khoa học ở nhiều nước và các gã khổng lồ công nghệ như Microsoft, Google.

BenYuan Quantum, khởi nguồn từ Phòng thí nghiệm trọng điểm Thông tin lượng tử của Học viện Khoa học Trung Quốc (CAS), đã thành công trong việc chế tạo máy tính lượng tử siêu dẫn “BenYuan WuKong”, gắn chip lượng tử siêu dẫn tự chủ 72 qubit. Theo thông tin, “BenYuan WuKong” thông qua sự tối ưu hóa phối hợp phần mềm/phần cứng giữa hệ điều hành máy tính lượng tử “BenYuan SiNan” và hệ thống đo kiểm điều khiển lượng tử “BenYuan TianJi”; hiện đã vận hành ổn định hơn hai năm, tổng cộng hoàn thành hơn 800.000 tác vụ tính toán lượng tử cho 163 quốc gia và vùng lãnh thổ trên toàn thế giới.

Trong lĩnh vực truyền thông, phân phối khóa lượng tử có đặc tính: nghe lén thì sẽ bị cảm nhận, khiến truyền thông bước vào kỷ nguyên an toàn tuyệt đối. GuoDun Quantum, nổi tiếng với truyền thông bảo mật lượng tử, dựa trên bố cục bằng sáng chế dẫn đầu toàn cầu trong lĩnh vực truyền thông lượng tử và các yếu tố khác, đã tự chủ nghiên cứu và phát triển thiết bị lõi của truyền thông bảo mật lượng tử thế hệ thứ năm, góp phần xây dựng đường truyền bảo mật lượng tử đẳng cấp thế giới “Tuyến Kinh-Hu” (quy mô ngàn km), mạng xương sống truyền thông bảo mật lượng tử tầm rộng trên toàn quốc, “mạng truyền thông bảo mật lượng tử tầm rộng không gian-bề mặt” như “Thiên-Địa Nhất Thể Quang Vực”, v.v.; đồng thời hỗ trợ cho việc triển khai các công trình trọng điểm lớn. Những nỗ lực này cung cấp hỗ trợ kỹ thuật then chốt để truyền thông lượng tử đi từ phòng thí nghiệm ra ứng dụng trình diễn, tiến tới triển khai quy mô.

GuoYi Quantum tập trung trọng điểm vào lĩnh vực đo lường chính xác lượng tử, tự chủ nghiên cứu và phát triển các thiết bị khoa học cao cấp. Người phụ trách liên quan của công ty cho biết với Tờ Thời báo Chứng khoán: lấy ví dụ bộ phận cốt lõi—đầu dò lượng tử kim cương—đường kính mũi đầu dò chỉ 500 nanomet, xấp xỉ 1/100 sợi tóc. Đầu mũi đầu dò cực nhỏ này tích hợp một cảm biến cấp độ nguyên tử có kích thước chỉ khoảng 0,5 nanomet. Cũng giống như nhiệt kế có thể cảm nhận nhiệt độ cơ thể người; nếu muốn “nghe” từng tế bào và phân tử đơn lẻ, thì cần các công cụ đo đạc vi mô hơn và nhạy hơn. Lúc đó, các thiết bị lượng tử sẽ phát huy tác dụng. Năm 2018, GuoYi Quantum cho ra mắt máy quang phổ cộng hưởng spin điện tử dải X thương mại đầu tiên do Trung Quốc sản xuất, một bước đã phá vỡ thế độc quyền kỹ thuật của các thương hiệu nước ngoài, giúp kỹ thuật đo lường chính xác lượng tử của nước ta đạt được bước đột phá quan trọng về thương mại hóa.

Hiện nay, bức tranh phát triển của nước ta trong ba lĩnh vực con của công nghệ lượng tử là khác nhau: ở 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 và Mỹ tiến song song, cùng thuộc nhóm hàng đầu của thế giới; trong lĩnh vực đo lường chính xác lượng tử, nước ta có lợi thế cục bộ ở một số đường đua con, nhưng ở các lĩnh vực như thiết bị khoa học cao cấp vẫn còn khoảng cách so với các nước phát triển.

Vượt qua các nút thắt công nghệ

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

Thực tế nghiêm khắc buộc doanh nghiệp Trung Quốc phải đi con đường riêng của mình. Người phụ trách liên quan của GuoYi Quantum cho biết để ứng phó thách thức bên ngoài, công ty đã tự chủ khắc phục và làm chủ các công nghệ “cốt lõi cứng” như “tạo ra và điều khiển trường từ ổn định có độ đồng đều cao”, “kỹ thuật vi sóng điều khiển spin”, “thiết kế và gia công cảm biến lượng tử”, v.v., thúc đẩy việc thiết bị chuyển từ tự chủ kiểm soát được bộ phận lõi đến kiểm soát được cả hệ thống trọn bộ. Đồng thời, công ty đã lập kế hoạch phát triển rõ ràng: ở thượng nguồn, đi sâu vào hợp tác chuỗi cung ứng nội địa, đẩy tiến trình tự nghiên cứu và tự sản xuất các bộ phận then chốt, nâng toàn diện tính tự chủ và độ bền của chuỗi cung ứng; ở hạ nguồn, dựa vào “Quantum Ke Yi Gu (Thung lũng Khoa học & Thiết bị lượng tử)” để thúc đẩy xây dựng mạng lưới ứng dụng toàn cầu, tăng tốc đưa công nghệ lượng tử vào các lĩnh vực sản xuất công nghiệp, sức khỏe và đời sống, năng lượng, v.v. để hiện thực hóa thương mại hóa.

Phó tổng giám đốc GuoDun Quantum, Chu Lôi, cho biết: khi công nghệ trong phòng thí nghiệm đi vào thương mại hóa, điểm then chốt là đạt được tính tự chủ và kiểm soát được các linh kiện lõi, đồng thời thúc đẩy sản phẩm triển khai theo hướng kỹ thuật (engineering), ổn định đáng tin cậy và ứng dụng quy mô. Trong quá trình phát triển, công ty đã từng đối mặt với một loạt thách thức như: nguồn cung linh kiện cốt lõi bị hạn chế, độ khó tích hợp sản phẩm đầu cuối cao, và việc xây dựng mạng (gộp mạng) phức tạp. Lấy ví dụ bộ dò một photon đơn lẻ: từ những năm đầu, sản phẩm quốc tế có giá cao và tỷ lệ hàng đạt chuẩn thấp đã hạn chế nghiêm trọng sự phát triển của ngành truyền thông lượng tử của nước ta. Trước tình huống bị động “bị nghẽn cổ chai” ở linh kiện cốt lõi, GuoDun Quantum đã phối hợp với các đơn vị có ưu thế trong nước; sau hơn một nghìn lần thực nghiệm công phá, đã phát triển bộ dò một photon nội địa có hiệu năng vượt trội đáng kể so với các sản phẩm cùng loại quốc tế. Dòng sản phẩm này đã hỗ trợ cho các dự án trọng điểm như “Tuyến Kinh-Hu”, “mạng truyền thông bảo mật lượng tử không gian-bề mặt tầm rộng (Thiên-Địa Nhất Thể Quang Vực)”, v.v., tạo nền tảng vững chắc cho sự phát triển quy mô của truyền thông lượng tử.

Năm 2025, GuoDun Quantum cho ra mắt bộ dò một photon làm lạnh sâu bốn kênh đầu tiên trên thế giới. Ở các chỉ số then chốt như hiệu suất phát hiện, nhiễu tối và mức độ tích hợp, sản phẩm đã lập kỷ lục thế giới, và thể tích chỉ bằng 1/9 so với các sản phẩm cùng loại quốc tế hiện nay. Hiện tại, các sản phẩm bộ dò một photon do công ty tự nghiên cứu và phát triển có thể đáp ứng hầu hết các kịch bản ứng dụng phát hiện một photon, cung cấp giải pháp hiệu quả về chi phí cho các ứng dụng thực tế như phân phối khóa lượng tử tầm cực xa, chụp ảnh bằng một photon, v.v.

Nhờ kế hoạch quy hoạch mang tầm nhìn của Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Quảng Đông, Viện Nghiên cứu Lượng tử Quốc tế Thâm Quyến đã triển khai sớm trong nghiên cứu phát triển các thiết bị cốt lõi của công nghệ lượng tử như máy quang khắc điện tử, đầu làm lạnh nhiệt độ thấp, máy làm lạnh pha loãng (dilution refrigerator). Trước khi các nước nước ngoài thực hiện cấm vận kỹ thuật và phong tỏa đối với nước ta, các công nghệ liên quan đã cơ bản được hoàn thiện. Nhờ đó, công ty đã thành công vượt qua sự phong tỏa “nghẽn cổ chai” từ phía nước ngoài về mặt kỹ thuật.

“Đi dọc đường mà đẻ trứng” tiến tới thương mại hóa

Trong một phòng thí nghiệm thực nghiệm tính toán lượng tử, phóng viên nhìn thấy một đôi câu đối, trên đó viết: “Vượt núi chông gai đo dữ liệu, thừa gió bẻ sóng phát lõi”, và câu ngang là “Không bao giờ nộp bài rút lui”. Thực tế là sau khi nước ta đã đạt công bố các bài báo khoa học cốt lõi và vượt qua các nút thắt kỹ thuật, vẫn cần tiến tới thương mại hóa và ứng dụng trong kinh doanh.

Chu Lôi cho biết: con đường phát triển của công nghệ lượng tử không phải là đi theo lối truyền thống—chờ công nghệ trưởng thành rồi mới đẩy ra thị trường—mà là con đường đổi mới khi gắn sâu nghiên cứu khoa học với ngành công nghiệp, “đi dọc đường mà đẻ trứng”.

“Đi dọc đường mà đẻ trứng” là một cách nói trong giới công nghệ lượng tử, có nghĩa là trong quá trình chinh phục các đỉnh cao khoa học, hãy chuyển kịp thời các kết quả kỹ thuật theo từng giai đoạn thành sản phẩm đưa ra thị trường. Mô hình “đi dọc đường mà đẻ trứng” xuyên suốt ba lĩnh vực lớn là truyền thông lượng tử, tính toán lượng tử và đo lường lượng tử, và cũng đang trở thành con đường cốt lõi để công nghệ lượng tử từ phòng thí nghiệm bước ra thị trường trong một giai đoạn tương lai.

Ông Dư Bằng Nhu, viện trưởng Viện Nghiên cứu Lượng tử Quốc tế Thâm Quyến, viện sĩ CAS, cho biết với phóng viên: nghiên cứu phát triển thiết bị khoa học phải đạt sản xuất hàng loạt và thương mại hóa (mới thật sự tạo ra giá trị). Trong quá khứ, nhiều quốc gia đã triển khai các dự án nghiên cứu thiết bị, sau khi làm mẫu và thông qua nghiệm thu thì bị “treo lại”, khiến công nghệ cuối cùng bị thất thoát. Xuất phát từ lý do đó, Viện Nghiên cứu Lượng tử Quốc tế Thâm Quyến giao cho các tài năng trẻ từ từng nhóm nghiên cứu đảm nhiệm đội sáng lập; mỗi người thành lập công ty riêng, tập trung vào các công nghệ và sản phẩm lõi khác nhau để hiện thực hóa thương mại hóa. Các sản phẩm liên quan đã bắt đầu bán ra thị trường. Chỉ riêng trong năm ngoái, viện đã ươm tạo tám doanh nghiệp công nghệ như vậy; trong đó các doanh nghiệp như Kunpeng ZhuoYue (Côn Bằng Xuất Sắc) đã cho thấy năng lực nghiên cứu phát triển mạnh và tiềm năng thương mại hóa trong lĩnh vực phần cứng tính toán lượng tử. Thực tiễn của Viện Nghiên cứu Lượng tử Quốc tế Thâm Quyến chính là một cách làm điển hình của “đi dọc đường mà đẻ trứng”.

Hiện nay, dù một số doanh nghiệp tuyên bố đã đạt đột phá về thương mại hóa, nhưng nền tảng tổng thể vẫn khá mỏng. Ví dụ, đa số doanh nghiệp có đối tượng bán hàng chủ yếu là các trường đại học và cơ quan nghiên cứu khoa học, phục vụ mục đích nghiên cứu; quy mô thị trường cho các tình huống này tương đối nhỏ. Trong tương lai cần tiếp tục mở rộng các kịch bản ứng dụng quy mô lớn cho dân dụng, công nghiệp, v.v., để thúc đẩy ngành thật sự thực hiện bước chuyển hoàn chỉnh từ phòng thí nghiệm đến chuỗi công nghiệp.

Nhiều người trong giới được phỏng vấn cho biết: hiện tại, sự phát triển kỹ thuật của tính toán lượng tử vẫn chưa đạt đến giai đoạn thương mại mà thị trường tưởng tượng. Tính toán lượng tử vẫn là thiết bị nghiên cứu khoa học, chưa sản sinh ra năng lực tính toán mới có thể triển khai (để phục vụ trực tiếp); vì vậy không thể cung cấp dịch vụ thực dụng trực tiếp cho doanh nghiệp, và khách hàng ở hạ nguồn cũng chỉ giới hạn trong các viện nghiên cứu, trường đại học và một số ít doanh nghiệp đổi mới, dùng cho thử nghiệm kỹ thuật và nghiên cứu. Ngoài việc ở một số bài toán toán học được thiết kế riêng cho máy tính lượng tử để đạt ưu thế lượng tử, thì ở giai đoạn hiện nay, nhiệm vụ cốt lõi của tính toán lượng tử vẫn là chạy theo máy tính cổ điển.

“Đối với doanh nghiệp tính toán lượng tử, mục tiêu cốt lõi trong ngắn hạn là tồn tại, tiếp tục tích lũy công nghệ, nuôi dưỡng thị trường, và chờ cho đến khi cả công nghệ lẫn thị trường trưởng thành.” Ông Dư Bằng Nhu cho rằng: ngành công nghệ lượng tử là chặng đường dài; tính toán lượng tử cần giai đoạn bồi dưỡng 5—10 năm. Ông đề xuất: duy trì đầu tư R&D cường độ cao, hoàn thiện hệ thống bồi dưỡng nhân tài, tăng cường phối hợp chuỗi công nghiệp, và hướng dòng vốn kiên nhẫn vào bố cục; thúc đẩy nước ta từ cường quốc công nghệ lượng tử tiến tới cường quốc công nghệ lượng tử, đồng thời hỗ trợ để trong thời kỳ “Kế hoạch 15 năm lần thứ năm”, công nghệ lượng tử đạt mục tiêu “truyền thông lượng tử dẫn đầu toàn cầu, tính toán lượng tử đột phá ứng dụng thực tiễn, đo lường lượng tử ứng dụng quy mô”.