Cách đây đúng một thế kỷ, cơ học lượng tử đã ra đời từ những phát triển ngoạn mục của vật lý lượng tử. Từ đó áp dụng những nguyên lý của cơ học lượng tử đã dẫn đến hàng loạt áp dụng trong công nghệ cao. Một phát triển hiện nay là máy tính lượng tử (quantum computer).

Như tên gọi, đây là một loại máy tính hoạt động theo các nguyên lý hoàn toàn khác với máy tính cổ điển mà dựa trên cơ học lượng tử, đang ngày càng thu hút sự quan tâm của giới khoa học lẫn các tập đoàn công nghệ lớn nhất thế giới như IBM, Google, Microsoft... 

Không chỉ là tương lai của ngành công nghệ thông tin, máy tính lượng tử còn hứa hẹn mở ra những đột phá trong hóa học, vật lý, vật liệu, sinh học, y dược, năng lượng, những lĩnh vực thiết thực với cuộc sống hằng ngày của hàng tỉ người, nếu không muốn nói của cả nhân loại.

Bước đột phá

Giữa năm 2025 và đầu năm 2026, hai công trình nghiên cứu quan trọng được công bố trên các tạp chí Science Advances (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu9991) và Science (https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea3321) đã mang lại một luồng gió mới. Cả hai đều xoay quanh một phương pháp mới gọi là Chéo hóa lượng tử dựa trên lấy mẫu (Sample-Based Quantum Diagonalization - SQD).

SQD hoạt động theo một triết lý khác biệt so với các thuật toán trước đây. Thay vì yêu cầu máy tính lượng tử tính toán toàn bộ bài toán, SQD chỉ yêu cầu thực hiện điều mà nó làm tốt nhất trong giai đoạn hiện nay: lấy mẫu (sampling), tức là tạo ra và đo đạc các trạng thái lượng tử để thu thập "manh mối" về cấu trúc của lời giải. Sau đó phần còn lại của bài toán, xử lý và tối ưu hóa dựa trên các manh mối đó, được giao cho máy tính cổ điển vốn đã rất mạnh trong việc xử lý đại số tuyến tính.

Những kết quả ban đầu của SQD mang lại hy vọng thực sự, không phải là hy vọng viễn tưởng, về khả năng ứng dụng trong tương lai gần.

Trong thiết kế thuốc và nghiên cứu sinh y: nhiều hoạt chất sinh học, đặc biệt là những phân tử chứa kim loại như hemoglobin (chứa sắt) hay nhiều phức chất platinum trong hóa trị liệu ung thư, có cấu trúc điện tử phức tạp mà các mô hình máy tính hiện nay chỉ tái tạo gần đúng. Mô phỏng chính xác hơn có thể giúp rút ngắn đáng kể thời gian và chi phí phát triển thuốc mới.

Trong năng lượng và xúc tác: hãy kể một vài ví dụ tiêu biểu. Enzyme nitrogenase trong tự nhiên có thể cố định đạm từ không khí ở nhiệt độ phòng và áp suất thường, trong khi quy trình Haber-Bosch mà công nghiệp đang dùng cần nhiệt độ và áp suất rất cao, tiêu thụ khoảng 1-2% tổng năng lượng toàn cầu và thải lượng CO₂ đáng kể. Hiểu chính xác cơ chế hoạt động của FeMoco có thể mở đường cho việc thiết kế xúc tác nhân tạo hiệu quả hơn nhiều.

Trong vật liệu tiên tiến: từ pin điện chất rắn đến vật liệu siêu dẫn, nhiều tính chất vật lý quan trọng xuất phát từ tương tác điện tử ở cấp độ lượng tử. SQD và các phương pháp lai ghép tương tự có thể trở thành công cụ thiết kế vật liệu thế hệ mới chính xác và nhanh hơn.

Việt Nam có thể tham gia không và cần làm gì?

Câu trả lời là có và cần bắt đầu ngay từ bây giờ, dù bắt đầu từ những bước nhỏ.

Trước hết, đào tạo nguồn nhân lực là ưu tiên hàng đầu. Tính toán lượng tử là một khoa học liên ngành sâu sắc, đòi hỏi kiến thức về vật lý lý thuyết, cơ học lượng tử, hóa học tính toán, khoa học máy tính và toán học ứng dụng.

Các trường ĐH lớn như ĐH Quốc gia TPHCM hoàn toàn có tiềm lực để xây dựng các chương trình nghiên cứu và đào tạo chuyên sâu về lĩnh vực này từ bậc ĐH đến sau ĐH.

Thứ hai, liên quan đến nghiên cứu, nghiên cứu thuật toán và xây dựng phần mềm là hướng đi khả thi với chi phí đầu tư thấp hơn nhiều so với việc chế tạo phần cứng lượng tử. Việc phát triển máy tính lượng tử vật lý đòi hỏi hạ tầng rất đắt tiền, gồm buồng lạnh cực mạnh với các khí hiếm, thiết bị điều khiển vi sóng chính xác cao, nhưng nghiên cứu thuật toán mô phỏng tính toán lượng tử trên máy tính cổ điển và ứng dụng các phương pháp lai ghép như SQD có thể thực hiện với nguồn lực vừa phải (dù vẫn cao hơn nguồn hiện nay đang có tại nước ta). Nhiều nhóm nghiên cứu hàng đầu ở các nước đang phát triển đã chọn hướng đi này và đạt được nhiều kết quả đáng kể.

Thứ ba, hợp tác quốc tế có chiến lược là chìa khoá. IBM đã mở nền tảng IBM Quantum Network cho phép các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới truy cập máy tính lượng tử thực sự qua đám mây. Các trường ĐH và viện nghiên cứu Việt Nam hoàn toàn có thể đăng ký tham gia, từ đó tiếp cận công nghệ tiên tiến mà không cần đầu tư phần cứng hàng trăm triệu đô la.

Cuối cùng, định hướng ứng dụng gắn với nhu cầu trong nước sẽ giúp nghiên cứu lượng tử của Việt Nam có tính thực tiễn và bền vững hơn. Vì Việt Nam là một trong những nước xuất khẩu nông sản lớn của thế giới, nghiên cứu tính toán lượng tử ứng dụng cho xúc tác phân bón là thiết thực. 

Thiết kế các chất thuốc mới dựa trên cây cỏ địa phương hay thiết kế vật liệu cho pin chất rắn cho xe điện, hay pin lưu trữ năng lượng phục vụ quá trình chuyển đổi sang năng lượng tái tạo đều là những hướng đi có ý nghĩa thiết thực với kinh tế đất nước.

Làm gì để xây dựng nguồn nhân lực chất lượng cao? Tạo không gian tranh luận học thuật

Việt Nam đặt nhiều kỳ vọng vào khoa học công nghệ và đổi mới sáng tạo. Đây là một định hướng đúng đắn nhưng kinh nghiệm của nhiều quốc gia cho thấy khoa học công nghệ khó có thể phát triển mạnh nếu thiếu một nền văn hóa trí tuệ rộng mở.