Vật lý lượng tử là lĩnh vực khoa học về vật lý của thế giới vật chất ở mức vô cùng nhỏ, thế giới của các hạt nguyên tử và hạ nguyên tử (electron, proton, neutron, quark, neutrino). Rất nhiều công nghệ đã được nghiên cứu dựa trên vật lý lượng tử như công nghệ laser, bóng bán dẫn, micro chip...Và tính toán lượng tử (quantum computing) với khả năng siêu xử lý đang là xu hướng nghiên cứu trên thế giới để phát triển các kỹ thuật mới trong việc xử lý các bài toán phức tạp. Dự báo tính toán lượng tử sẽ tạo ra một cuộc cách mạng mới trong đời sống con người với máy tính lượng tử, trí tuệ nhân tạo, hay bảo mật thông tin và rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.
Các giai đoạn phát triển tính toán lượng tử
Nguồn: Intel.com
Xây dựng các hệ thống tính toán với bit lượng tử (qubit-quantum bit) ngày càng cao hơn đã chứng minh ưu thế vượt trội của tính toán lượng tử cũng như năng lực nghiên cứu của các đơn vị trong lĩnh vực này. Qubit, đơn vị đo lượng thông tin trong tính toán lượng tử, một khái niệm cơ bản trong khoa học thông tin lượng tử được Benjamin Schumacher đề cập trong bài báo viết về mã hóa lượng tử từ năm 1993. Dựa theo nguyên lý chồng chập lượng tử, các qubit có thể đồng thời là 0 và 1 nên qubit có thể có vô số giá trị trong khoảng 0-1, điều này tạo nên khả năng siêu tính toán của tính toán lượng tử, là nền tảng để tạo ra các bộ vi xử lý nhanh hơn hàng triệu lần so với các máy tính thông thường hiện nay.
Tạo nên những con chip hay hệ thống tính toán lượng tử trong phòng thí nghiệm mất rất nhiều thời gian và chi phí đắt đỏ, nhưng tính toán lượng tử vẫn thu hút nhiều nhà đầu tư. Các hệ thống tính toán lượng tử đang phát triển nhanh chóng, mô hình tính toán lượng tử đầu tiên được Neil Gershenfeld và Mark G. Kubinec giới thiệu vào năm 1996, có năng lực tính toán là 2-qubit. Năm 1998, các nhà nghiên cứu tại IBM, Oxford, Berkeley, Stanford và MIT đã giới thiệu hệ thống tính toán 2-qubit. Đến năm 2018, Google thông báo có thể sản xuất một hệ thống tính toán 72-qubit. Tính toán lượng tử sẽ đạt bước tiến lớn khi Rigetti, một công ty khởi nghiệp về điện toán lượng tử công bố cho ra đời hệ thống tính toán 128-qubit trong thời gian tới (BĐ1).
BĐ1: 20 năm phát triển năng lực tính toán lượng tử
*vào tháng 8/2018 Rigetti thông báo sẽ ra mắt hệ thống tính toán lượng tử 128-qubit.
Nguồn: Sarah Feldman, Quantum Computing-20 Years of Quantum; Statista.
Tính toán lượng tử thu hút nhiều nhà đầu tư nghiên cứu trong những năm gần đây. Xu hướng phát triển công nghệ lĩnh vực này được Công ty Tư vấn Patinformatics, LLC chứng minh qua phân tích thông tin sáng chế (SC), dựa trên cơ sở dữ liệu sáng chế Thomson Innovation, và công bố trong tài liệu “General Statistics on Practical Quantum Computing”. Theo đó, giai đoạn 2003-2014 số lượng sáng chế liên quan đến tính toán lượng tử tăng trưởng trung bình 17%/năm, từ 2014 đến cuối năm 2017 mức tăng nhảy vọt với số lượng sáng chế ước tăng 430% (BĐ2).
BĐ2: Phát triển số lượng sáng chế về tính toán lượng tử
Ghi chú: theo dữ liệu 1.455 SC về tính toán lượng tử tra cứu từ cơ sở dữ liệu Thomson Innovation.
Nguồn: Patinformatics, LLC; General Statistics on Practical Quantum Computing.
Số lượng sáng chế liên quan đến các công nghệ qubit tăng trưởng theo cấp số nhân trong những năm gần đây, kế đến là phần cứng và các ứng dụng (BĐ3). Các phương pháp tạo qubit dựa trên mạch siêu dẫn chiếm đa số, gấp đôi số lượng tổng sáng chế các công nghệ qubit khác; kế đến là công nghệ qubit chấm lượng tử, phương pháp này gia tăng đáng kể từ năm 2017 (BĐ4).
BĐ3: Phát triển số lượng sáng chế về tính toán lượng tử theo nhóm công nghệ
Ghi chú: theo dữ liệu 1.952 SC về tính toán lượng tử tra cứu từ cơ sở dữ liệu Thomson Innovation.
Nguồn: Patinformatics, LLC; General Statistics on Practical Quantum Computing.
BĐ4: Phát triển số lượng sáng chế về tính toán lượng tử theo công nghệ qubit
Ghi chú:
- Super-conducting loops: mạch siêu dẫn; Quantum dots: chấm lượng tử; Ions trap: ion bị bẫy; Topological qubits: tôpô lượng tử; Diamond vacancies: khoảng trống kim cương. (Tham khảo thêm trong bài viết Máy tính lượng tử - đường đua còn dài? của tác giả Anh Thư).
- BĐ4 dựa theo dữ liệu 402 SC về tính toán lượng tử tra cứu từ cơ sở dữ liệu Thomson Innovation.
Nguồn: Patinformatics, LLC; General Statistics on Practical Quantum Computing.
Mỹ là nơi nhận nhiều đơn ưu tiên đăng ký sáng chế liên quan đến tính toán lượng tử, gần 3,5 lần Nhật Bản - nước đứng thứ hai về nhận đơn đăng ký sáng chế, đứng thứ ba là Trung Quốc (BĐ5).
BĐ5: Số lượng sáng chế về tính toán lượng tử theo nơi nhận đơn
Ghi chú: theo dữ liệu 1.416 SC về tính toán lượng tử tra cứu từ cơ sở dữ liệu Thomson Innovation.
Nguồn: Patinformatics, LLC; General Statistics on Practical Quantum Computing.
Sở hữu sáng chế về tính toán lượng tử sớm nhất vào những năm 1990 là Công ty Hitachi, IBM và NTT. Kể từ năm 2010, với sự đầu tư mạnh mẽ vào lĩnh vực này đã gia tăng mạnh số lượng sáng chế. Tính đến năm 2017, công ty có nhiều sáng chế là D-Wave System, IBM và Microsoft (BĐ6).
BĐ6: Công ty dẫn đầu số lượng sáng chế về tính toán lượng tử
Ghi chú: theo dữ liệu 540 SC về tính toán lượng tử tra cứu từ cơ sở dữ liệu Thomson Innovation.
Nguồn: Patinformatics, LLC; General Statistics on Practical Quantum Computing.
So với giới doanh nghiệp, các trường đại học nộp đơn đăng ký sáng chế về tính toán lượng tử thấp hơn nhiều, trong những năm 1990, chỉ có 1 sáng chế từ Đại học MIT. Số lượng sáng chế về tính toán lượng tự trong giới học thuật gia tăng nhiều hơn từ 2014. Tính đến 2017, danh sách dẫn đầu về sáng chế trong các trường đại học là MIT, Havard, Zhejiang G. (BĐ7).
BĐ7: Các đại học dẫn đầu số lượng sáng chế về tính toán lượng tử
Ghi chú: theo dữ liệu 95 SC về tính toán lượng tử tra cứu từ cơ sở dữ liệu Thomson Innovation.
Nguồn: Patinformatics, LLC; General Statistics on Practical Quantum Computing.
Dù còn sơ khai nhưng giàu tiềm năng, nên nghiên cứu ứng dụng tính toán lượng tử được dự báo sẽ tạo ra đột phá trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong công nghệ thông tin và truyền thông, an ninh, cảm biến,…Tính toán lượng tử đã thu hút đầu tư từ chính phủ và doanh nghiệp ở nhiều nước châu Âu, với dự án lên đến 1,2 tỉ USD trong hơn 10 năm. Vương Quốc Anh đi tiên phong đầu tư vào lĩnh vực này từ năm 2013. Mỹ cũng sẽ đổ 1,2 tỉ USD trong giai đoạn 2019-2024. Dù đi sau, nhưng Trung Quốc cho biết sẽ đầu tư 10 tỉ USD vào nghiên cứu công nghệ lượng tử trong năm 2020 nhằm thực hiện tham vọng dẫn đầu lĩnh vực này vào năm 2024 (BĐ8).
BĐ8: Đầu tư vào công nghệ lượng tử trên thế giới
Nguồn: www.yole.fr, Quantum Technologies-Market and Technology Report.
Đáng chú ý là, trên thế giới hiện có rất nhiều doanh nghiệp khởi nghiệp trong lĩnh vực tính toán lượng tử. Theo bảng xếp hạng 20 công ty khởi nghiệp thu hút vốn đầu tư tốt nhất trong lĩnh vực này trên toàn thế giới do Statista công bố (BĐ9), Mỹ có 8 công ty, kế đến là Canada (4), Úc (3), Vương Quốc Anh (3), Israel (1) và Phần Lan (1). Dẫn đầu là công ty D-Wave Systems có trụ sở tại Canada đã huy động được số tiền tài trợ là 204,7 triệu USD, kế đến là Rigetti và IonQ.
BĐ9: Thu hút vốn đầu tư của các doanh nghiệp khởi nghiệp lĩnh vực tính toán lượng tử
(Tính đến tháng 10/ 2019, ĐVT: Triệu USD)
Nguồn: Statista.
Anh Thư (CESTI)