Giữ máy tính lượng tử mở trên toàn cầu

Một nhà nghiên cứu làm việc trên một thiết bị làm lạnh cho bộ xử lý tăng cường lượng tử do D-Wave Systems tại Burnaby, Canada, phát triển. Nguồn: D-Wave Systems.

Chỉ trong vài năm, nghiên cứu về máy tính lượng tử có xu hướng dịch chuyển một cách nhanh chóng từ môi trường học thuật ra xã hội và nhận được sự quan tâm của cả khối doanh nghiệp tư nhân. Mục tiêu cuối cùng của nó là tạo ra một máy tính lượng tử “phổ quát” – có khả năng vừa thực hiện được mọi phép tính toán và vừa có thể hiệu chỉnh được nhiễu, sai lỗi và không ổn định, những tiêu chuẩn đã được đề ra từ nhiều thập kỷ. Hiện hàng tỷ USD đang được đầu tư chỉ để thương mại hóa những kết quả đầu tiên.

Công ty công nghệ Mỹ IBM và công ty Canada D-Wave Systems đang sẵn sàng tiến đến các máy tính tăng cường lượng tử. Google, Microsoft và Intel lập kế hoạch làm được điều đó trong vòng 3 đến 5 năm. Những thiết bị ban đầu này có thể thực hiện được phép tính nhanh hơn máy tính thông thường. Dẫu sao, chúng vẫn còn ít linh hoạt và kém về năng lực xử lý hơn một máy tính lượng tử thực sự, và hiện vẫn còn dễ dẫn đến các lỗi sai và nhiễu. Một số lĩnh vực như học máy và tối ưu có thể đem lại lợi ích cho việc hoàn thiện máy tính lượng tử - nếu có thể khắc phục được những thách thức về kỹ thuật.

Nhưng thật bất ngờ là cuộc chạy đua để có được đầu tư vào nghiên cứu và thiết kế này lại đang gây xáo trộn cả lĩnh vực lượng tử. Các công ty đang đổ xô vào việc xây dựng các nhóm nghiên cứu lớn, bòn rút tài năng trong các trường đại học. Hàng trăm công ty khởi nghiệp đang đăng ký sáng chế các kết quả nghiên cứu từ những công trình do lĩnh vực công tài trợ, ảnh hưởng đến các nguyên tắc về tài trợ. 
Các khoản đầu tư công dành cho máy tính lượng tử đang bùng nổ. Nhưng con đường tới mục tiêu làm được phần cứng đang hết sức gập ghềnh. Các viện nghiên cứu Bắc Mỹ đang thắng thế, và đang dẫn dắt sự phát triển của lĩnh vực này theo nhiều hướng phù hợp với mục tiêu và khả năng của mình, ví dụ họ tập trung vào các công nghệ siêu dẫn nên nhiều viện nghiên cứu khác cũng bị hướng theo lối này. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu thiếu các phòng thí nghiệm đủ lớn và cơ sở hạ tầng đi kèm nên khó có khả năng cạnh tranh. Các rào cản về địa chính trị nổi lên như an ninh quốc gia và các mối quan tâm thương mại cũng làm nóng cuộc chạy đua này. 

Tất cả những hoạt động đầu tư và nghiên cứu này đang diễn ra tại một thời điểm quan trọng. Học máy đang mở các cánh cửa của mình ra đón các ngành công nghiệp mới. Chúng ta không thể chờ hàng thập kỷ cho “lợi thế lượng tử”: thời điểm một bộ xử lý tượng tử giải quyết vấn đề mà không máy tính cổ điển nào có thể làm được. Nó gợi cho chúng ta sự phát triển của nhiều lĩnh vực khác, ví dụ như công nghệ sinh học với kỹ thuật chỉnh sửa gene CRISPR đã tạo ra cuộc cách mạng trong lĩnh vực này sau 20 năm tưởng chừng như đã phát triển lên tới đỉnh điểm của những năm 1990.

Lượng tử toàn cầu

Phần lớn các khái niệm mang tính trụ cột về máy tính lượng tử đều đến từ các nghiên cứu do chính phủ tài trợ. Hiện tại, do nhận thấy nhiều tiềm năng ở tính toán lượng tử nên nhiều chính phủ đang hào phóng đầu tư cho nghiên cứu. Một số quốc gia như Mỹ, Anh, Nhật Bản, Thụy Điển, Singapore, Canada và Trung Quốc đang đứng đầu xu hướng này. Con số tài trợ không ngừng tăng lên: năm 2017, mỗi cam kết tài trợ cho nghiên cứu về máy tính lượng tử dao động từ 100 triệu đến 300 triệu USD hằng năm; năm 2018, Mỹ và châu Âu cùng có những khoản kếch xù hàng tỷ USD thông qua Sáng kiến Lượng tử Mỹ kéo dài 5 năm và Chương trình Lá cờ đầu Các công nghệ lượng tử EU trong 10 năm nhằm chạy đua với Anh, quốc gia từ năm 2014 đã đạt mốc 1 tỷ USD đầu tư từ lĩnh vực công và tư; Trung Quốc mở phòng thí nghiệm lượng tử lớn nhất thế giới vào năm 2020 với tổng kinh phí 10 tỷ USD. 

Nhiều quốc gia khác cũng cố gắng bám đuổi họ. Ấn Độ và Hàn Quốc đều hướng tới rót hàng chục triệu USD cho máy tính lượng tử mỗi năm. Nga đưa công nghệ lượng tử vào danh sách các sáng kiến công nghệ tầm quốc gia cần được ưu tiên. Một số lượng lớn các trung tâm nghiên cứu đang được hình thành để kết nối nguồn lực công và tư cho R&D, một số dự án khác cũng nhận được 300 triệu USD ngay trong pha đầu tiên. 

Tuy nhiên, có một số vấn đề xuất hiện trong quá trình đầu tư này. Lợi ích của các doanh nghiệp tư nhân và cả bầu không khí chính trị quốc tế khiến các nhà nghiên cứu gặp khó trong quá trình hợp tác và chia sẻ thông tin. Điều đó có thể khiến việc nghiên cứu đi vào ngõ cụt. Ví dụ những vấn đề an ninh quốc gia đã được nhấn mạnh trong một báo cáo về chương trình máy tính lượng tử năm 2019 của Viện Hàn lâm Khoa học Mỹ, chương trình do Văn phòng Ban giám đốc Tình báo quốc gia (Office of the Director of National Intelligence) tài trợ. Các nhà khoa học được Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ hiện đang phải đối mặt với lệnh cấm hợp tác với các nhà nghiên cứu của khoảng 30 quốc gia, trong đó có Trung Quốc và Nga. 

Những khoảng cách về nghiên cứu 

Công nghệ lượng tử đang có nguy cơ trở thành một cuộc chạy đua cỡ “Moonshot” đầy tham vọng, trong đó những kẻ thắng cuộc sẽ được tất. Khu vực Bắc Mỹ hiện đang gây dựng vị thế dẫn đầu về phần cứng lượng tử. Các công ty như Google ở California và D-Wave ở Canada vẫn cấp quyền truy cập tự do vào thiết bị của họ, tuy nhiên chỉ thông qua đám mây dữ liệu. Không ai có thể chạm vào các bộ xử lý của họ.

Các chính trị gia châu Âu sợ hãi khả năng có thể lỡ suất trên chuyến tàu công nghệ này. EU không chỉ là nơi sản xuất phần cứng máy tính lớn (Atos/Bull tại Pháp, một công ty đa quốc gia có tầm hoạt động bao phủ nhiều lĩnh vực, đặc biệt là viễn thông), nơi cũng có chương trình về công nghệ lượng tử, mà còn đầu tư mạnh về phát triển phần cứng lượng tử tương tự Mỹ từ Sáng kiến lá cờ đầu. Ngoài ra, EU còn đang triển khai một số cách tiếp cận khác giống như Mỹ. Tuy nhiên, họ đang có nguy cơ tụt hậu về ứng dụng lượng tử hoặc các thuật toán cho tính toán lượng tử do chưa tập hợp được nhiều ngân sách đầu tư ngay từ vòng đầu của Sáng kiến. Hiện cũng có một số dấu hiệu cho thấy, họ sẽ gắng rót được nhiều kinh phí hơn cho phần mềm lượng tử trong vài năm tiếp theo. 

Nhiều nhà nghiên cứu hi vọng các công ty sẽ bù đắp vào khoảng trống ứng dụng lượng tử này. Tuy nhiên các doanh nghiệp lại ít quan tâm đến việc giải quyết vấn đề cơ bản của quá trình xử lý lượng tử, điều này có nghĩa là sự phát triển của các startup và thương mại hóa phần mềm lượng tử trong giai đoạn đầu có thể ảnh hưởng đến việc phát triển các phương pháp lý thuyết và công cụ phần mềm lượng tử.

Nguy cơ lạc hậu có thể trở lại lĩnh vực lượng tử. Một phạm vi các ứng dụng công nghệ có tăng cường lượng tử bị giới hạn nhưng không được nêu ra, thậm chí hiểu biết về một số công nghệ đi kèm, ví dụ như học máy, vẫn còn rất nghèo nàn. Các thiết bị có thể không được cải tiến như dự kiến. Các kiến thức hiện tại trong các cuốn sách giáo khoa về các thuật toán, như thuật toán phân tích lượng tử Shor hay thuật toán tìm kiếm Grover dường như không hoạt động trên các thiết bị còn xa mới đạt được độ lý tưởng như mong muốn. Vậy các nhà lập trình có thể viết những mã hiệu quả hơn để các thuật toán có thể hoạt động trên các thiết bị hiện có tùy thuộc vào khả năng loại nhiễu?

Những gì chờ đợi tiếp theo?

Các nhà nghiên cứu hàn lâm phải định hình được các ý tưởng của máy tính lượng tử và ứng dụng của nó một cách đầy đủ hơn, góp phần giải quyết những vấn đề gây khó cho ngành công nghiệp cũng như các startup công nghệ, vốn không có khả năng làm được điều đó. Nhưng chúng ta còn cách các thiết bị lý tưởng đó bao xa? Liệu có xảy ra một số phát triển bị đình trệ, ảnh hưởng đến quy mô đầu tư chung cho công nghệ lượng tử?

Để tránh điều này xảy ra, các chính phủ phải có những khoản đầu tư thẳng vào phần mềm lượng tử. Các nhà thực nghiệm sẽ hạnh phúc với một lượng kinh phí lớn để xây dựng bộ xử lý lượng tử, nếu thành công có thể đem về cả giải Nobel. Các nhà tài trợ khác cũng cần phải hiểu rằng đây là một cuộc chơi lâu dài và đòi hỏi nhiều cách tiếp cận khác nhau. Các doanh nghiệp, đặc biệt là các startup cần phải làm việc nhiều hơn với các trường đại học, đồng thời đầu tư nhiều hơn vào các nghiên cứu về lý thuyết và phát triển các vấn đề cơ bản của công nghệ lượng tử.

Do đó, các nhà nghiên cứu ở cả lĩnh vực hàn lâm lẫn ngành công nghiệp phát triển các ứng dụng lượng tử trong một tinh thần khoa học mở. Nhìn rộng ra, mối hợp tác quốc tế về công nghệ lượng tử cần được củng cố với sự tham gia của các chính phủ nhằm giữ cho các thỏa thuận khoa học được thực hiện, bất chấp ảnh hưởng của môi trường chính trị bởi nghiên cứu về lượng tử cần được mở, quốc tế hóa trên quy mô toàn cầu. □

Thanh Nhàn lược dịch
Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-019-02675-5