Phát triển công nghệ lượng tử: Kinh nghiệm Nhật Bản và gợi mở cho Việt Nam

Trả lời phỏng vấn của phóng viên TTXVN, Giáo sư, Tiến sĩ (GS.TS.) Shigeki Takeuchi - Giám đốc Trung tâm khoa học và kỹ thuật cảm biến lượng tử quang tử, Trường Sau đại học Kỹ thuật, Đại học Kyoto - đã phân tích về các biện pháp kết nối giữa Chính phủ Nhật Bản, các trường đại học và doanh nghiệp để đưa công nghệ lượng tử vào thực tiễn, đồng thời chỉ ra tiềm năng hợp tác giữa hai nước, đặc biệt trong lĩnh vực cảm biến lượng tử.

Phóng viên: Trong ba lĩnh vực gồm điện toán lượng tử, truyền thông - mật mã lượng tử và cảm biến lượng tử, hiện nay Nhật Bản đang ưu tiên lĩnh vực nào nhất, thưa ông?

GS.TS.Shigeki Takeuchi: Trước hết, nếu xét về quy mô ngân sách nghiên cứu và phát triển, điện toán lượng tử hiện là lĩnh vực được Nhật Bản đầu tư trọng điểm nhất. Tuy nhiên, truyền thông - mật mã lượng tử và cảm biến lượng tử có quy mô vốn cần thiết cũng như thời gian dự kiến để đưa vào ứng dụng thực tế khác với điện toán lượng tử. Vì vậy, có thể nói sát với thực tế hơn rằng Nhật Bản đều coi trọng cả ba lĩnh vực vừa nêu, nhưng áp dụng những phương thức hỗ trợ nghiên cứu khác nhau tùy theo giai đoạn nghiên cứu và phát triển cũng như khoảng cách tới việc triển khai trong thực tiễn xã hội. Dưới đây, tôi xin trình bày cụ thể hơn.

Nếu coi mức độ ưu tiên tỷ lệ thuận với quy mô nguồn vốn được đầu tư, thì điện toán lượng tử có thể được xem là lĩnh vực được chú trọng nhất. Trên thực tế, Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Toàn cầu về Kinh doanh dựa trên Công nghệ Lượng tử và AI (G-QuAT), được thành lập tại Viện Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia Nhật Bản (AIST), đang thúc đẩy việc ứng dụng thương mại máy tính lượng tử. Trung tâm này phối hợp với các dự án phát triển máy tính lượng tử siêu dẫn của RIKEN và Fujitsu, cũng như dự án phát triển máy tính lượng tử quang học của RIKEN, với nguồn kinh phí nghiên cứu rất lớn.

Tuy nhiên, một nguyên nhân quan trọng là nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử nhìn chung đòi hỏi chi phí cao hơn nhiều so với truyền thông lượng tử hay cảm biến lượng tử. Chẳng hạn, việc phát triển máy tính lượng tử siêu dẫn đòi hỏi đầu tư lớn cho các công nghệ chế tạo thiết bị sử dụng màng mỏng siêu dẫn có độ chính xác cao, cũng như các hệ thống làm lạnh quy mô lớn. Đối với máy tính lượng tử quang học, PsiQuantum cũng đang đầu tư những khoản vốn rất lớn vào phát triển chip bán dẫn lượng tử quang học. Để có thể cạnh tranh trong cuộc đua phát triển công nghệ như vậy, việc đầu tư nguồn vốn lớn là điều khó tránh khỏi.

Ngoài ra, để một máy tính lượng tử có thể thực hiện những phép phân tích thừa số ở quy mô mà các máy tính hiện nay chưa thể giải quyết, người ta cho rằng cần khoảng một triệu qubit. Để đạt tới quy mô đó, còn phải giải quyết rất nhiều nút thắt công nghệ, và trong suốt quá trình này cần duy trì nguồn kinh phí nghiên cứu ổn định.

Xét trên phương diện đó, cảm biến lượng tử là một lĩnh vực nghiên cứu khá tương phản với điện toán lượng tử. Việc phát triển từng loại cảm biến lượng tử riêng lẻ không đòi hỏi lượng vốn lớn như phát triển máy tính lượng tử. Tuy nhiên, phạm vi ứng dụng và chủng loại của cảm biến lượng tử lại vô cùng đa dạng. Có thể kể đến cảm biến lượng tử trạng thái rắn sử dụng các nguyên tử tạp chất trong kim cương, cảm biến lượng tử quang học sử dụng ánh sáng vướng víu lượng tử, cảm biến gia tốc siêu nhạy sử dụng nguyên tử, hay đồng hồ mạng quang học có độ chính xác cao hơn các loại đồng hồ truyền thống nhiều bậc độ lớn.

Các phương pháp mật mã đang được sử dụng phổ biến hiện nay chủ yếu dựa trên độ phức tạp tính toán. Tuy nhiên, người ta đã chỉ ra rằng khi máy tính lượng tử được hiện thực hóa, những hệ thống mật mã này có nguy cơ bị giải mã. Một trong những giải pháp tiềm năng cho vấn đề này là truyền thông mật mã lượng tử, hay phân phối khóa lượng tử (QKD), dựa trên “nguyên lý bất định” của cơ học lượng tử. Vì vậy, QKD đang ngày càng nhận được nhiều sự quan tâm.

Đối với hệ thống “truyền thông mật mã lượng tử” kết nối hai điểm cách nhau khoảng vài chục kilômét, các thử nghiệm chứng minh tính khả thi trong môi trường thực tế đã được tiến hành và các sản phẩm thương mại cũng đã được đưa ra thị trường. Tại Trung Quốc, đã có các thông tin cho biết một mạng lưới truyền thông mật mã lượng tử quy mô toàn quốc đã được xây dựng.

Tại Nhật Bản, trong những năm 2010, mạng “Tokyo QKD” đã được xây dựng, kết nối nhiều địa điểm xung quanh Tokyo bằng nhiều phương thức triển khai khác nhau. Kể từ đó, mạng này tiếp tục được duy trì như một nền tảng phục vụ các thử nghiệm thực chứng. Hoạt động nghiên cứu và phát triển nhằm nâng cấp công nghệ cũng đang được thúc đẩy, trong đó đã có những thông tin về kế hoạch xây dựng mạng kết nối Tokyo và Osaka.

Như vậy, theo hiểu biết của tôi, Nhật Bản đang hỗ trợ nghiên cứu trong cả ba lĩnh vực - điện toán lượng tử, truyền thông - mật mã lượng tử và cảm biến lượng tử - thông qua sự phối hợp giữa các bộ, ngành khác nhau, đồng thời điều chỉnh phương thức hỗ trợ phù hợp với đặc điểm của từng lĩnh vực cũng như từng giai đoạn nghiên cứu và phát triển.

Phóng viên: Tại Nhật Bản, Chính phủ, các trường đại học và doanh nghiệp phối hợp với nhau như thế nào trong nghiên cứu, phát triển và thương mại hóa công nghệ lượng tử?

GS.TS. Shigeki Takeuchi: Trước hết, có thể tóm lược rằng tại Nhật Bản, các cơ quan quản lý được phân công phụ trách tùy theo từng giai đoạn nghiên cứu - phát triển và từng lĩnh vực công nghệ. Bộ Giáo dục, Văn hóa, Thể thao, Khoa học và Công nghệ Nhật Bản (MEXT) giữ vai trò trung tâm trong hỗ trợ nghiên cứu cơ bản tại các trường đại học; Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp (METI) chủ yếu hỗ trợ quá trình công nghiệp hóa; còn lĩnh vực truyền thông lượng tử do Bộ Nội vụ và Truyền thông (MIC) phụ trách. Trong những năm gần đây, nhằm liên kết các hoạt động này, Nhật Bản đang xây dựng một mạng lưới toàn quốc mang tên “Các Trung tâm Đổi mới Công nghệ Lượng tử” (QIH), với Viện RIKEN giữ vai trò nòng cốt và sự tham gia của 12 trường đại học, viện nghiên cứu quốc gia và các tổ chức nghiên cứu công lập.

Các trường đại học Nhật Bản chịu sự quản lý của MEXT, cơ quan phụ trách cả chính sách giáo dục lẫn chính sách khoa học và công nghệ. MEXT có một cơ quan tài trợ nghiên cứu là Cơ quan Khoa học và Công nghệ Nhật Bản (JST). JST hỗ trợ các trường đại học thông qua chương trình mang tên “Các chương trình nghiên cứu cơ bản định hướng chiến lược”, trong đó các đề tài nghiên cứu được thúc đẩy theo hướng từ dưới lên.

Chương trình này bao gồm nhiều cơ chế hỗ trợ khác nhau, chẳng hạn PRESTO nhằm đào tạo và phát triển các nhà nghiên cứu trẻ, CREST hỗ trợ các nhóm nghiên cứu quy mô lớn, và ERATO - chương trình lựa chọn rất nghiêm ngặt những nhà nghiên cứu hàng đầu, cho phép họ xây dựng một “viện nghiên cứu ảo” dựa trên những ý tưởng nghiên cứu độc đáo của riêng mình. Dựa trên các “mục tiêu chiến lược” do MEXT đặt ra với sự tư vấn của các chuyên gia, các lĩnh vực nghiên cứu và hình thức tài trợ được thiết kế phù hợp với mục tiêu và đặc trưng của từng chương trình. Khoa học và công nghệ lượng tử gần như năm nào cũng được lựa chọn là một trong những mục tiêu chiến lược, và MEXT đã duy trì hỗ trợ liên tục cho lĩnh vực này.

Ngoài ra, từ năm 2018, MEXT đã triển khai Chương trình Flagship về Quang học và Công nghệ Lượng tử Đột phá (Q-LEAP). Về nguyên tắc, chương trình được hỗ trợ trong 5 năm và sau quá trình đánh giá có thể được tiếp tục tài trợ tối đa tới 10 năm. Q-LEAP tập trung xây dựng các trung tâm nghiên cứu và hỗ trợ các lĩnh vực gồm máy tính lượng tử, cảm biến lượng tử và khoa học - công nghệ quang học tiên tiến. Chương trình có sự tham gia của nhiều trường đại học, viện nghiên cứu quốc gia, viện nghiên cứu công lập và doanh nghiệp, qua đó đã tạo ra nhiều kết quả nghiên cứu đáng chú ý.

Lĩnh vực truyền thông lượng tử thuộc phạm vi quản lý của Bộ Nội vụ và Truyền thông Nhật Bản, và nhiều dự án nghiên cứu hợp tác giữa Bộ này với các trường đại học và doanh nghiệp cũng đang được triển khai.

Trong khi đó, Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp phụ trách lĩnh vực xử lý thông tin và máy tính. Do đó, Bộ này cũng đang đẩy mạnh hỗ trợ nghiên cứu và phát triển máy tính lượng tử, đặc biệt đối với các tập đoàn lớn như Fujitsu cũng như các doanh nghiệp khởi nghiệp.

Nhằm kết nối các bộ, ngành và trường đại học khác nhau nói trên, mạng lưới Các Trung tâm Đổi mới Công nghệ Lượng tử (QIH) đã được thành lập. Với RIKEN là cơ quan đầu mối, 12 trường đại học, viện nghiên cứu quốc gia và các cơ sở nghiên cứu công lập đã được công nhận là các “trung tâm” và cùng hình thành một mạng lưới hợp tác.

Trong bối cảnh đó, các trường đại học cũng đang đẩy mạnh xây dựng các trung tâm nghiên cứu về khoa học và công nghệ lượng tử. Tại Đại học Kyoto của chúng tôi, sau khi được công nhận vào tháng 6/2025 là “Trung tâm Khoa học Lượng tử Quang học” thuộc QIH, do tôi làm Giám đốc trung tâm, chúng tôi hiện đang xúc tiến xây dựng một tổ chức nhằm tập hợp và kết nối các nhà nghiên cứu về khoa học và công nghệ lượng tử trong toàn trường.

Về mối liên kết giữa các trường đại học và khu vực công nghiệp, có một liên minh mang tên Quantum Forum, quy tụ các bên liên quan từ khu vực công, doanh nghiệp và học thuật trên tất cả các lĩnh vực khoa học và công nghệ lượng tử theo hình thức tự nguyện. Tại đây thường xuyên tổ chức các hội thảo, tọa đàm và thảo luận chuyên đề.

Ngoài ra còn có Q-STAR, một liên minh chủ yếu do các doanh nghiệp dẫn dắt. Bên cạnh đó, còn tồn tại các mô hình liên kết công - tư - học thuật tập trung vào những lĩnh vực lượng tử cụ thể, chẳng hạn Liên minh Triển khai Xã hội Cảm biến Lượng tử Quang học của Đại học Kyoto.

Như vậy, tại Nhật Bản đang tồn tại nhiều tầng nấc hợp tác khác nhau giữa Chính phủ, trường đại học và doanh nghiệp. Các mạng lưới, chương trình và liên minh này chồng lấp và bổ trợ lẫn nhau, qua đó cùng thúc đẩy việc đưa công nghệ lượng tử từ nghiên cứu vào ứng dụng thực tế và thương mại hóa.

Phóng viên: Hiện nay tại Nhật Bản đang cần những loại nhân lực nào trong lĩnh vực công nghệ lượng tử? Theo Giáo sư, Việt Nam nên ưu tiên điều gì trong đào tạo nguồn nhân lực?

GS.TS.Shigeki Takeuchi: Trong khoa học và công nghệ lượng tử, kiến thức về “cơ học lượng tử” là điều không thể thiếu. Trước đây, việc học cơ học lượng tử thường tập trung vào những nội dung như sử dụng phương trình Schrödinger để giải các phương trình vi phân đặc biệt nhằm xác định trạng thái của electron trong nguyên tử hydro.

Tuy nhiên, trong nghiên cứu và phát triển khoa học - công nghệ lượng tử hiện nay, người học cần có sự hiểu biết sâu sắc hơn về những bản chất cốt lõi của lý thuyết lượng tử, chẳng hạn nguyên lý bất định hay hiện tượng vướng víu lượng tử.

Trước đây, cơ học lượng tử chủ yếu được giảng dạy tại các khoa như vật lý, hóa học, kỹ thuật điện - điện tử thuộc các trường khoa học tự nhiên và kỹ thuật. Tuy vậy, những nội dung mang tính bản chất sâu hơn của lý thuyết lượng tử như nói trên hầu như chỉ được giảng dạy đầy đủ tại các khoa vật lý.

Hiện nay, tại trường đại học của chúng tôi, chúng tôi đang nỗ lực mở rộng cơ hội để sinh viên thuộc nhiều ngành khác nhau, bao gồm cả ngành khoa học thông tin, cũng có thể học những kiến thức nền tảng và cốt lõi của lý thuyết lượng tử.

Bên cạnh đó, trong các chương trình hỗ trợ nghiên cứu và phát triển dành cho các trường đại học của MEXT mà tôi đã đề cập trước đó, “đào tạo nguồn nhân lực” được xác định là một trong những mục tiêu quan trọng.

Thông qua hoạt động nghiên cứu và phát triển khoa học - công nghệ lượng tử tại các trường đại học, Nhật Bản đang nỗ lực đào tạo đội ngũ “nhân lực lượng tử trình độ cao”, có kiến thức chuyên sâu và chính xác, sau đó cung cấp nguồn nhân lực này cho cả khu vực công nghiệp, cơ quan nhà nước và giới học thuật.

Gần đây, số lượng các nhà nghiên cứu đang làm việc tại doanh nghiệp sử dụng một cơ chế được gọi là “tiến sĩ dành cho người đang đi làm” cũng ngày càng tăng. Theo cơ chế này, họ vẫn tiếp tục làm việc tại doanh nghiệp, đồng thời theo học chương trình tiến sĩ tại trường đại học, tham gia nghiên cứu về khoa học - công nghệ lượng tử và lấy bằng tiến sĩ.

Tôi cho rằng các nhà nghiên cứu người Việt Nam đã lấy bằng tiến sĩ tại những phòng thí nghiệm hàng đầu ở Nhật Bản, Mỹ hoặc châu Âu có thể đóng vai trò đặc biệt quan trọng. Với kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm quốc tế của mình, họ có thể xem xét đâu là hướng đi phù hợp nhất đối với Việt Nam, theo cách vừa phù hợp với điều kiện thực tế vừa phục vụ tốt nhất lợi ích của đất nước.

Phóng viên: Dựa trên kinh nghiệm của Nhật Bản, Việt Nam có nên đầu tư vào phần cứng lượng tử do mình tự phát triển hay trước hết nên tập trung vào việc sử dụng điện toán đám mây, đào tạo nhân lực, phát triển thuật toán và xây dựng hạ tầng dùng chung?

GS.TS.Shigeki Takeuchi: Điều khiến tôi hơi băn khoăn trong câu hỏi này là dường như có một cách nhìn đồng nhất “công nghệ lượng tử” với “máy tính lượng tử”. Tôi cũng từng có cảm giác tương tự khi trao đổi với một số lãnh đạo trong giới công nghiệp Nhật Bản chưa thực sự am hiểu sâu về khoa học và công nghệ lượng tử.

Như tôi đã đề cập, nghiên cứu về máy tính lượng tử rất quan trọng và hiện đang nhận được nguồn đầu tư rất lớn. Tuy nhiên, theo hiểu biết của tôi, cho đến nay vẫn chưa có những ứng dụng của máy tính lượng tử thực sự đạt tới mức có thể mang lại lợi ích rõ ràng cho xã hội theo đúng nghĩa.

Bên cạnh đó, tôi cho rằng các chuyên gia nhìn chung đều có chung nhận thức rằng vẫn cần thêm một khoảng thời gian đáng kể trước khi có thể hiện thực hóa những máy tính lượng tử đủ khả năng thực hiện các bài toán như phân tích thừa số ở quy mô lớn.

Trong bối cảnh đó, cần phải đặt ra một cách nghiêm túc câu hỏi rằng: “Việc sử dụng điện toán đám mây hay phát triển thuật toán nhằm mục đích gì?”. Điều tương tự cũng áp dụng đối với “phần cứng lượng tử”. Mục tiêu là để đào tạo nguồn nhân lực, hay để hướng tới triển khai một hạ tầng xã hội thực sự cần thiết đối với Việt Nam, hay đơn giản là một khoản đầu tư mang tính dự phòng cho tương lai? Tôi cho rằng câu trả lời sẽ thay đổi tùy thuộc vào mục tiêu cụ thể mà Việt Nam muốn hướng tới.

Phóng viên: Trong ba lĩnh vực gồm điện toán lượng tử, truyền thông lượng tử an toàn và cảm biến lượng tử, Nhật Bản và Việt Nam có thể hợp tác hiệu quả nhất ở lĩnh vực nào, theo ông?

GS.TS. Shigeki Takeuchi: Tôi cho rằng câu trả lời cho câu hỏi này sẽ khác nhau tùy thuộc vào nội dung và mục tiêu hợp tác.

Chẳng hạn, nếu Chính phủ Việt Nam muốn trước hết mua một số thiết bị để tạo điều kiện cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư trực tiếp tiếp cận, làm quen và sử dụng công nghệ, thì truyền thông lượng tử - lĩnh vực mà các thiết bị thương mại đã bắt đầu được đưa ra thị trường - hoặc điện toán lượng tử, nơi các doanh nghiệp khởi nghiệp đã bắt đầu hoạt động, có thể là những lựa chọn phù hợp.

Tuy nhiên, nếu xét từ góc độ nghiên cứu và phát triển, điện toán lượng tử và truyền thông lượng tử thường chịu nhiều hạn chế liên quan đến an ninh. Trong khi đó, cảm biến lượng tử có rất nhiều loại hình và ứng dụng khác nhau. Dù một số công nghệ cũng có tính nhạy cảm về an ninh, phần lớn các ứng dụng của lĩnh vực này hướng tới mục đích dân sự.

Từ góc độ đó, cảm biến lượng tử có thể là một lĩnh vực tương đối dễ để hai nước bắt đầu hợp tác, cả về đào tạo nhân lực nghiên cứu và phát triển lẫn về chi phí đầu tư, do mức vốn cần thiết nhìn chung thấp hơn so với hai lĩnh vực còn lại.

Một điểm khác mà tôi muốn nhấn mạnh là, xét từ góc độ nghiên cứu và phát triển, việc phân loại công nghệ lượng tử thành ba nhóm riêng biệt gồm điện toán lượng tử, truyền thông lượng tử an toàn và cảm biến lượng tử chưa hẳn là cách tiếp cận phù hợp.

Tôi cho rằng điều quan trọng là hình dung điện toán lượng tử, truyền thông lượng tử an toàn và cảm biến lượng tử như những ứng dụng khác nhau cùng phát triển trên một nền tảng chung gồm các công nghệ cốt lõi, tương tự như nhiều loại cây cùng sinh trưởng trên một lớp đất chung.

Vì vậy, đầu tư vào nền tảng khoa học và công nghệ lượng tử - tức phần “nền móng” và “đất” để các ứng dụng phát triển - là điều rất quan trọng. Đồng thời, Việt Nam cũng cần tăng cường hợp tác với Nhật Bản và các quốc gia khác trong lĩnh vực này.

Phóng viên: Xin trân trọng cám ơn ông!