Khám phá tham vọng công nghệ lượng tử của Trung Quốc

Ngày 29.9.2017, vệ tinh Trung Quốc tên Micius giúp thực hiện hội nghị truyền hình giữa Vienna và Bắc Kinh. Với tốc độ truyền 29.000 km/giờ, vệ tinh chiếu xuống gói dữ liệu nhỏ đến trạm mặt đất ở phía đông bắc Bắc Kinh. Chưa đầy một giờ sau, vệ tinh đi qua Áo và gửi gói dữ liệu khác đến một trạm gần thành phố Graz.

Các gói dữ liệu là khóa mã hóa để đảm bảo hoạt động truyền đi. Đặc biệt, các khóa này được mã hóa thành phô-ton ở trạng thái lượng tử. Bất kỳ nỗ lực ngăn chặn nào cũng làm sụp đổ trạng thái mỏng manh đó, báo hiệu sự hiện diện của tin tặc. Đây là điểm khiến cách truyền này an toàn hơn nhiều so với khóa được gửi dưới dạng bit cổ điển, vốn là luồng xung điện hoặc xung quang đại diện cho 1 và 0, có thể được đọc và sao chép.

Mã hóa video là chuyện bình thường, song lượng tử thì không. Yếu tố bảo mật được đảm bảo vì cần khóa lượng tử để giải mã nó. Hội nghị truyền hình Vienna - Bắc Kinh là liên kết video liên lục địa được mã hóa bằng công nghệ lượng tử đầu tiên trên thế giới.

Jian-Wei Pan và đội ngũ của ông  Ảnh: USTC

Người đứng sau thành tựu này là Giáo sư Jian-Wei Pan thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC). Ở tuổi 48, ông Pan có nhiều đột phá, đưa bản thân lên hàng ngôi sao khoa học trong nước. Cống hiến của Pan được Chủ tịch Trung Quốc Tập Cận Bình khen ngợi, và ông được báo chí gọi là “cha đẻ của công nghệ lượng tử”.

Ông Tập từng tuyên bố lượng tử mở ra “cuộc cách mạng công nghiệp mới”. Truyền thông và tính toán lượng tử còn non trẻ, song chúng thuộc hàng “những dự án cực lớn” mà Bắc Kinh muốn đột phá đến năm 2030. Nước này nhìn thấy cơ hội dẫn đầu kỷ nguyên lượng tử đang phát triển, hệt như cách Mỹ từng thống trị sự ra đời của máy vi tính và cách mạng thông tin thổi bùng sau đó.

Trong cuộc phỏng vấn với MIT Technology Review, Giáo sư Pan, người trở thành thành viên trẻ nhất của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, chia sẻ về tầm quan trọng của sự hợp tác quốc tế, song cũng nhấn mạnh rằng Trung Quốc nhìn thấy cơ hội hiếm hoi để định hình sự thay đổi cực lớn kế tiếp trong ngành công nghệ. “Chúng tôi chỉ là người đi theo, người học hỏi ở thời khoa học thông tin hiện đại ra đời. Giờ đây, chúng tôi có cơ hội trở thành người dẫn đầu”, ông Pan cho hay.

Tham vọng của ông Pan gồm kế hoạch chùm vệ tinh toàn cầu lập thành mạng lưới internet lượng tử siêu an toàn. Ông muốn giúp nước nhà bắt kịp hoặc vượt qua Mỹ trong việc xây dựng máy tính lượng tử. Các đơn vị tính toán cơ bản trong máy tính lượng tử là qubit. Không như bit, qubit có thể chiếm trạng thái lượng tử 1 và 0 cùng lúc. Bằng các liên kết nhiều qubit thông qua hiện tượng được biết đến với tên gọi “entanglement”, sức mạnh xử lý của máy tính lượng tử tăng theo cấp số nhân.

Trong tương lai, máy móc có thể được dùng để hỗ trợ trí tuệ nhân tạo (AI), khám phá vật liệu hoặc thuốc mới bằng cách chạy mô phỏng nhiều phản ứng hóa học vốn quá nặng cho máy tính bình thường. Các mạng lưới an toàn sử dụng phân phối khóa lượng tử (QKD) truyền được dữ liệu nhạy cảm (chẳng hạn cho dữ liệu giao dịch tài chính), bảo mật tối đa hoạt động quân sự và liên lạc. Giới nghiên cứu cũng đang phát triển cảm biến lượng tử cho phép tàu ngầm điều hướng mà không dựa vào tín hiệu vệ tinh cùng radar lượng tử phát hiện được máy bay “tàng hình”.

Mô tả cách vệ tinh Micius khả thi hóa mã hóa lượng tử thực tế giữa Áo và Trung Quốc Ảnh: livescience.com

QKD là vấn đề đau đầu. Làm QKD hoạt động trên mặt đất đã khó, làm điều đó từ vệ tinh đồng nghĩa với việc phải giải quyết một loạt vấn đề khác, từ việc cân chỉnh chính xác đường truyền với trạm mặt đất cho đến tối thiểu hóa số lượng phô-ton mất đi trong khí quyển. Hoi-Kwong Lo, Giáo sư vật lý tại Đại học Toronto (Canada) ấn tượng với thành quả mà Trung Quốc đạt được trong mảng này.

Quốc gia Đông Á xây mạng lưới QKD trên mặt đất dài nhất thế giới. Liên kết 2.032 km trên mặt đất nối Bắc Kinh và Thượng Hải do ông Pan thiết kế. Chúng gửi các mã khóa lượng tử giữa nhiều trạm, cung cấp mạng lưới cực kỳ an toàn để truyền dữ liệu tài chính hoặc thông tin nhạy cảm. Hiện một số thành phố Trung Quốc cũng xây mạng lưới tương tự.

Không rõ Bắc Kinh đầu tư bao nhiêu tiền vào các dự án lượng tử, song ông Pan cho hay số tiền mà nước này chi ra “ít nhất bằng” với tiền vốn dự án Quantum Technologies Flagship của châu Âu, vốn kéo dài 10 năm và ngốn khoảng 1,1 tỉ USD.

Trung Quốc cũng tung rất nhiều bài viết khoa học về công nghệ lượng tử chất lượng cao. Số lượng bằng sáng chế nước này đăng ký trong các lĩnh vực như truyền thông lượng tử, mật mã lượng tử tăng vọt, vượt xa nhiều nước trong đó có Mỹ. Để hỗ trợ giới nghiên cứu lượng tử trong tương lai, Trung Quốc xây Phòng Thí nghiệm quốc gia về Khoa học Thông tin Lượng tử vào năm 2020, tập hợp chuyên gia vật lý, kỹ thuật điện và khoa học vật liệu lại với nhau. Một khoản tiền khác cũng được chi để USTC đào tạo nhà nghiên cứu lượng tử.

Chưa hết, nước này còn lên kế hoạch cho không gian. Ông Pan cho biết trong 4-5 năm tới, Đại lục sẽ phóng thêm bốn vệ tinh lượng tử quỹ đạo thấp và một vệ tinh địa chất quỹ đạo cao. Tầm nhìn dài hạn là tạo ra mạng internet trải trên nhiều lục địa, được bảo đảm bằng công nghệ lượng tử và có thể làm lu mờ phiên bản internet hiện nay.

Nhân viên nghiên cứu của IBM kiểm tra máy điều lạnh với nguyên mẫu mới của bộ xử lý lượng tử thương mại bên trong Ảnh: IBM

Bất chấp vệ tinh Micius và hệ thống QKD trên mặt đất giúp Trung Quốc có lợi thế, lúc này Mỹ vẫn dẫn đầu mảng máy tính lượng tử và truyền thông lượng tử bảo đảm. Dù vậy, nỗ lực của ông Pan và những cái tên lớn làng công nghệ Trung Quốc như Alibaba, Baidu có thể tạo ra sự khác biệt trong tương lai. Đơn cử, Alibaba đầu tư khủng vào máy tính lượng tử, vừa ra mắt dịch vụ điện toán đám mây cho phép người dùng thử nghiệm các bộ xử lý lượng tử, hệt như nỗ lực của các hãng Mỹ như IBM và Rigetti.

Isaac Chuang, Giáo sư Học viện Công nghệ Massachusetts, nhận định một trong những thứ giúp Trung Quốc làm tốt ngành khoa học lượng tử là sự phối hợp chặt chẽ giữa các nhóm nghiên cứu và chính phủ. Châu Âu hiện cũng có kế hoạch tổng thể để thúc đẩy quan hệ hợp tác như trên, song Mỹ thì lại chậm đưa ra chiến lược toàn diện.

Ông Pan thì cho rằng dù Mỹ và châu Âu có ra sao, Trung Quốc vẫn sẽ phát triển. Ông nhấn mạnh cơ hội thương mại, khi giới doanh nghiệp đã dùng mạng lưới Bắc Kinh - Thượng Hải để gửi thông tin an toàn. Pan nhắc đến viễn cảnh một ngày nào đó, các trung tâm dữ liệu trên nhiều lục địa khác nhau được kết nối thông qua chùm vệ tinh mà ông đang lên kế hoạch.