Bước ngoặt trong cuộc đua phát triển công nghệ lượng tử

Cuộc đua phát triển chip lượng tử không chỉ là cuộc tranh đua công nghệ đơn thuần mà còn phản ánh chiến lược địa chính trị và kinh tế toàn cầu.

Công nghệ lượng tử toàn cầu hiện nay

Công nghệ lượng tử dựa trên nguyên lý cơ học lượng tử – mô tả hành vi của vật chất và năng lượng ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử.

Khác với máy tính truyền thống sử dụng bit (0 và 1), máy tính lượng tử sử dụng qubit (quantum bit) có thể tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái khác nhau nhờ hiện tượng chồng chất lượng tử và vướng víu lượng tử.

Khả năng này cho phép máy tính lượng tử xử lý lượng lớn các phép tính song song, giải quyết những bài toán phức tạp mà máy tính truyền thống phải mất hàng trăm năm để hoàn thành.

Minh chứng rõ nét là thành tựu của Google năm 2023 với chip Sycamore 53-qubit, thực hiện phép tính trong 200 giây mà siêu máy tính Frontier phải mất khoảng 10.000 năm.

Đây là lý do công nghệ lượng tử được coi là cuộc cách mạng tiếp theo trong công nghệ thông tin, có tiềm năng thay đổi cách tiếp cận các vấn đề trong y học, hóa học, vật liệu, tài chính và an ninh mạng.

Hệ sinh thái phát triển chip lượng tử hiện nay chia thành ba nhóm chính: (i) Các tập đoàn công nghệ lớn với nguồn lực dồi dào; (ii) Các startup đổi mới với cách tiếp cận đột phá; và (iii) Các liên minh nghiên cứu-công nghiệp được hỗ trợ bởi chính phủ. Google, IBM và Microsoft đang theo đuổi lộ trình dài hạn nhằm xây dựng máy tính lượng tử quy mô lớn.

Google với chip Willow 128-qubit đạt tỷ lệ lỗi dưới 1%, IBM với Condor 1,121-qubit và Heron 133-qubit có khả năng liên kết mô-đun, Microsoft với hệ thống Majorana dựa trên fermion đều chứng minh rằng nguồn lực tài chính kết hợp với đội ngũ nghiên cứu hàng đầu tạo bước tiến đáng kể.

IBM công bố lộ trình phát triển với mục tiêu đạt 100.000 qubit vào năm 2030, đồng thời triển khai Quantum System Two tích hợp nhiều bộ xử lý Heron vào cuối năm 2024.

Trong khi đó, các startup như Xanadu, PsiQuantum, và QuEra đang phát triển những cách tiếp cận đột phá. Xanadu với Borealis – bộ xử lý lượng tử quang học lập trình được đầu tiên trên thế giới với 216 qubit nén.

PsiQuantum huy động hơn 700 triệu USD phát triển chip quang tử tích hợp quy mô lớn, hợp tác với GlobalFoundries sản xuất linh kiện lượng tử bằng công nghệ bán dẫn 300mm.

QuEra với công nghệ nguyên tử trung tính phát triển máy tính lượng tử Aquila 256 qubit, triển khai thương mại trên nền tảng Amazon Braket từ tháng 12/2024.

Đáng chú ý là sự tham gia ngày càng tăng của các Chính phủ và Tổ chức quốc tế. Liên minh Fujitsu-RIKEN tại Nhật Bản được hỗ trợ 1,3 tỷ USD từ chính phủ, Pháp hỗ trợ Alice & Bob và Pasqal thông qua Kế hoạch Lượng tử Quốc gia trị giá 1,8 tỷ EUR, Úc hỗ trợ PsiQuantum với khoản đầu tư 108 triệu AUD.

Trung Quốc đầu tư hơn 15 tỷ USD vào nghiên cứu lượng tử qua Viện Khoa học Lượng tử Thông tin Quốc gia, Hoa Kỳ thông qua Đạo luật Sáng kiến Lượng tử Quốc gia với ngân sách 1,2 tỷ USD giai đoạn 2023-2025.

Các xu hướng phát triển lượng tử toàn cầu

Hiện trên thế giới có 5 phương pháp chính trong phát triển chip lượng tử:

Một là phương pháp Siêu dẫn (Superconducting): Được áp dụng bởi IBM, Google, Rigetti và RIKEN-Fujitsu, sử dụng hiệu ứng Josephson trong vật liệu siêu dẫn.

Ưu điểm là khả năng mở rộng và tốc độ xử lý nhanh (dưới 100 nanoseconds), nhưng đòi hỏi nhiệt độ cực thấp (dưới 20 millikelvin). Rigetti triển khai hệ thống 128-qubit Ankaa-2 tháng 3/2025 với kiến trúc đa chip, kết nối các chip lượng tử nhỏ thành hệ thống lớn.

Hai là phương pháp Ion bẫy (Trapped-Ion): Sử dụng ion giữ bằng trường điện từ (IonQ, Quantinuum). Ưu điểm là thời gian kết hợp dài (vài giây) và độ chính xác cao (99.98%), nhưng tốc độ xử lý chậm hơn siêu dẫn. IonQ thương mại hóa Aria với 32 qubit thuần vật lý tương đương hơn 100 qubit thuần siêu dẫn, Quantinuum đạt độ trung thực cổng lượng tử 99.98% với hệ thống H2.

Ba là phương pháp Quang tử (Photonic): Sử dụng photon làm qubit (Xanadu, PsiQuantum), hoạt động ở nhiệt độ phòng và dễ tích hợp với hạ tầng viễn thông. Xanadu tạo vướng víu lượng tử giữa 40.000 chế độ lượng tử với Borealis, phù hợp cho truyền thông lượng tử an toàn.

Bốn là phương pháp Nguyên tử trung tính (Neutral Atom): Phát triển bởi Pasqal và QuEra, sử dụng mảng nguyên tử trung tính bẫy bằng laser, tạo số lượng qubit lớn với mật độ cao. Pasqal triển khai hệ thống thương mại 200-qubit đầu 2025, với khả năng mô phỏng vật liệu lượng tử cho dược phẩm và hóa học.

Năm là phương pháp Spin lượng tử trong Silicon (Silicon Spin): Do Intel tiên phong, tận dụng cơ sở hạ tầng sản xuất bán dẫn. Intel công bố chip Tunnel Falls 12 qubit spin tháng 1/2025, sản xuất trên quy trình 300mm, thời gian kết hợp đạt 1 millisecond ở nhiệt độ 1 Kelvin.

Bên cạnh phát triển phần cứng, tiến bộ về phần mềm và thuật toán lượng tử cũng diễn ra mạnh mẽ. Google công bố thuật toán NISQ mới cho phép tính toán hữu ích trên phần cứng lượng tử hiện tại với khả năng chống lỗi tốt hơn. IBM phát triển Qiskit Runtime với các primitive lượng tử giúp nhà phát triển trừu tượng hóa phức tạp của phần cứng và tối ưu hóa hiệu suất ứng dụng.

Những tác động do công nghệ lượng tử mang lại

Tiến bộ trong lĩnh vực chip lượng tử mở ra cánh cửa cho ứng dụng đột phá trong nhiều lĩnh vực, trước hết là 2 lĩnh vực chính dưới đây:

Khoa học vật liệu và hóa học tính toán: Máy tính lượng tử cách mạng hóa việc mô phỏng phân tử và vật liệu ở cấp độ lượng tử, cho phép thiết kế vật liệu mới, chất xúc tác hiệu quả cao.

Dự án QuPharma (SEEQC, BASF, Merck) mô phỏng chính xác cấu trúc protein tau liên quan đến Alzheimer tháng 2/2025, một thành tựu mà máy tính cổ điển mất hàng năm.

Pfizer sử dụng máy tính lượng tử IBM mô phỏng phân tử thuốc ức chế protease mới cho điều trị HIV, giảm thời gian từ 3 năm xuống 6 tháng. Khả năng mô phỏng chính xác phản ứng hóa học phức tạp đẩy nhanh phát triển vật liệu mới cho pin, tế bào năng lượng mặt trời, góp phần giải quyết thách thức về biến đổi khí hậu.

Tối ưu hóa và trí tuệ nhân tạo: Máy tính lượng tử giải quyết bài toán tối ưu hóa phức tạp nhanh hơn máy tính cổ điển, mở ứng dụng tiềm năng trong chuỗi cung ứng, tài chính, giao thông. Volkswagen sử dụng máy tính D-Wave tối ưu hóa lộ trình 10.000 taxi tại Bắc Kinh, giảm 30% thời gian di chuyển.

Goldman Sachs và JPMorgan Chase áp dụng thuật toán lượng tử định giá công cụ tài chính phức tạp, tối ưu danh mục đầu tư, phát hiện gian lận, nhanh hơn 100 lần so với phương pháp truyền thống. D-Wave với công nghệ ủ lượng tử nâng cấp Advantage 2 lên 7.000 qubit với kết nối mật độ cao…

Công nghệ lượng tử và công nghiệp bán dẫn có mối quan hệ mật thiết, nhiều chip lượng tử dựa trên kỹ thuật sản xuất bán dẫn tiên tiến. TSMC hợp tác IBM sử dụng máy tính lượng tử mô phỏng quá trình lắng đọng vật lý hơi trong sản xuất chip 3nm, cải thiện hiệu suất 18% và giảm tiêu thụ năng lượng 20%.

Samsung ứng dụng thuật toán lượng tử tối ưu hóa quy trình khắc plasma, giảm sản phẩm lỗi và tiết kiệm chi phí.

Tương lai của công nghệ lượng tử

Cuộc đua phát triển chip lượng tử năm 2025 ở giai đoạn bước ngoặt, với cạnh tranh mạnh mẽ giữa tập đoàn công nghệ lớn và startup đổi mới. Đa dạng phương pháp từ siêu dẫn đến quang tử và nguyên tử trung tính tạo hệ sinh thái phong phú với nhiều con đường tiềm năng dẫn đến máy tính lượng tử thực dụng.

Mặc dù tiềm năng lớn, việc chứng minh giá trị thực tế của máy tính lượng tử trong ứng dụng thương mại vẫn là thách thức. Công ty cần phát triển ứng dụng có lợi thế rõ ràng so với giải pháp cổ điển, xây dựng hệ sinh thái phần mềm và công cụ phát triển dễ sử dụng. Những tiến bộ gần đây trong sửa lỗi lượng tử, kiến trúc chip, và khả năng mở rộng mở triển vọng tích cực cho tương lai.

Dịch vụ Amazon Braket với hơn 20 loại phần cứng lượng tử và Microsoft Azure Quantum đạt 1 triệu người dùng đầu 2025, cùng hợp tác giữa Rigetti và Quanta Computer sản xuất hàng loạt hệ thống lượng tử, là bước tiến quan trọng trong mở rộng tiếp cận và xây dựng hệ sinh thái lượng tử.

Khi thế giới tiến gần hơn đến ưu việt lượng tử (quantum advantage) trong ứng dụng thực tế, cạnh tranh giữa các phương pháp sẽ thúc đẩy đổi mới và đẩy nhanh phát triển.

Điều này định hình tương lai khoa học máy tính và mở khả năng mới giải quyết thách thức lớn của nhân loại, từ biến đổi khí hậu và an ninh năng lượng đến y học cá nhân hóa và an toàn thông tin trong kỷ nguyên số.