Cuộc đua lượng tử toàn cầu: Khi qubit trở thành tài nguyên chiến lược

Với hàng chục tỷ USD đầu tư từ các tập đoàn công nghệ và chính phủ, máy tính lượng tử đang chuyển mình từ nghiên cứu nền tảng sang các hệ thống có khả năng vận hành thực tế. Từ Google, IBM, Microsoft đến các startup và liên minh quốc gia, cuộc đua công nghệ lượng tử đang định hình một kỷ nguyên tính toán mới, nơi qubit được xem là tài nguyên chiến lược của tương lai.

Công nghệ lượng tử toàn cầu hiện nay

Công nghệ lượng tử dựa trên các nguyên lý của cơ học lượng tử - ngành khoa học mô tả hành vi của vật chất và năng lượng ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử. Khác với máy tính truyền thống chỉ sử dụng bit (nhận giá trị 0 hoặc 1), máy tính lượng tử vận hành trên qubit (quantum bit), có khả năng tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái nhờ hiện tượng chồng chất lượng tử và vướng víu lượng tử.

Chính đặc tính này cho phép máy tính lượng tử thực hiện một lượng lớn phép tính song song, mở ra khả năng giải quyết những bài toán cực kỳ phức tạp mà các hệ thống tính toán cổ điển phải mất hàng trăm, thậm chí hàng nghìn năm mới có thể hoàn thành.

Một minh chứng thường được nhắc tới là thành tựu của Google với chip lượng tử Sycamore 53 qubit, khi hệ thống này thực hiện một bài toán lấy mẫu mạch lượng tử chỉ trong vài trăm giây, trong khi các siêu máy tính mạnh nhất thế giới, như Frontier, được ước tính cần thời gian rất dài để mô phỏng tương đương. Thành tựu này đánh dấu bước ngoặt quan trọng, cho thấy tiềm năng vượt trội của điện toán lượng tử so với kiến trúc tính toán truyền thống.

Nhờ khả năng xử lý vượt trội, công nghệ lượng tử được đánh giá là cuộc cách mạng tiếp theo của công nghệ thông tin, với tiềm năng làm thay đổi căn bản cách con người tiếp cận và giải quyết các bài toán trong nhiều lĩnh vực then chốt như y học, hóa học, khoa học vật liệu, tài chính, logistics và an ninh mạng. Đặc biệt, trong bối cảnh trí tuệ nhân tạo và mô phỏng khoa học ngày càng đòi hỏi năng lực tính toán lớn, máy tính lượng tử được kỳ vọng sẽ trở thành “đòn bẩy công nghệ” của thập kỷ tới.

Hiện nay, hệ sinh thái phát triển công nghệ và chip lượng tử trên toàn cầu có thể chia thành ba nhóm chính. Thứ nhất là các tập đoàn công nghệ lớn với nguồn lực tài chính và hạ tầng R&D mạnh mẽ, đóng vai trò dẫn dắt về nền tảng và tiêu chuẩn. Thứ hai là các startup công nghệ lượng tử, theo đuổi những cách tiếp cận đột phá, linh hoạt và giàu tính thử nghiệm. Thứ ba là các liên minh nghiên cứu - công nghiệp - chính phủ, nơi công nghệ lượng tử được xem là lĩnh vực chiến lược cấp quốc gia.

Trong số đó, những cái tên như Google, IBM và Microsoft đang theo đuổi các lộ trình dài hạn nhằm xây dựng máy tính lượng tử quy mô lớn, ổn định và có khả năng thương mại hóa, đặt nền móng cho giai đoạn phát triển bùng nổ của công nghệ lượng tử trong những năm tới.

Cuộc đua lượng tử: Google, IBM, Microsoft và tham vọng hàng trăm nghìn qubit

Những năm gần đây, cuộc đua phát triển máy tính lượng tử ngày càng tăng tốc, với dấu ấn rõ nét của các tập đoàn công nghệ lớn sở hữu tiềm lực tài chính mạnh và đội ngũ nghiên cứu hàng đầu thế giới. Google ghi dấu ấn với chip Willow 128 qubit, đạt tỷ lệ lỗi dưới 1% - một cột mốc quan trọng trong nỗ lực nâng cao độ ổn định của hệ thống lượng tử. IBM tiếp tục mở rộng quy mô phần cứng với Condor 1.121 qubit và Heron 133 qubit, trong đó kiến trúc Heron cho phép liên kết mô-đun, đặt nền móng cho các hệ thống lượng tử có khả năng mở rộng linh hoạt. Trong khi đó, Microsoft theo đuổi hướng đi khác biệt với hệ thống Majorana, dựa trên fermion tô-pô, cho thấy tiềm năng giảm lỗi ngay từ cấp độ qubit.

Không chỉ dừng ở các kết quả công bố, IBM còn đưa ra lộ trình phát triển dài hạn, đặt mục tiêu đạt 100.000 qubit vào năm 2030, đồng thời triển khai Quantum System Two - hệ thống tích hợp nhiều bộ xử lý Heron vào cuối năm 2024. Những bước đi này phản ánh xu hướng chuyển dịch từ thử nghiệm đơn lẻ sang xây dựng các nền tảng lượng tử quy mô lớn, có khả năng vận hành thực tế.

Song song với các “ông lớn”, làn sóng startup công nghệ lượng tử cũng đang tạo ra những cách tiếp cận mang tính đột phá. Xanadu (Canada) gây chú ý với Borealis - bộ xử lý lượng tử quang học lập trình được đầu tiên trên thế giới, sử dụng 216 qubit nén, mở ra hướng phát triển mới cho điện toán lượng tử quang tử. PsiQuantum (Mỹ) huy động hơn 700 triệu USD để theo đuổi mục tiêu xây dựng máy tính lượng tử quang tử quy mô lớn, đồng thời hợp tác với GlobalFoundries nhằm sản xuất linh kiện lượng tử trên dây chuyền bán dẫn 300 mm, cho thấy tham vọng đưa công nghệ lượng tử tiếp cận tiêu chuẩn công nghiệp. QuEra (Mỹ), với công nghệ nguyên tử trung tính, đã phát triển máy tính lượng tử Aquila 256 qubit và triển khai thương mại trên nền tảng Amazon Braket từ tháng 12/2024, đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc đưa máy tính lượng tử đến gần hơn với người dùng.

Mẫu chip lượng tử Majorana 1 của Microsoft. Ảnh: Microsoft.

Tại khu vực Đông Nam Á, bức tranh phát triển công nghệ lượng tử tuy khởi động muộn hơn nhưng đang dần hình thành rõ nét. Singapore hiện là quốc gia đi đầu trong khu vực, với nhiều trung tâm nghiên cứu mạnh về truyền thông lượng tử và các ứng dụng lượng tử trong bảo mật thông tin, đóng vai trò là đầu mối kết nối nghiên cứu và chuyển giao công nghệ. Trong khi đó, Malaysia và Thái Lan cũng bắt đầu từng bước tham gia cuộc chơi, chủ yếu thông qua các chương trình hợp tác quốc tế và đầu tư có chọn lọc vào nghiên cứu lượng tử. Những động thái đồng thời từ doanh nghiệp, startup và chính phủ cho thấy công nghệ lượng tử đang bước vào giai đoạn tăng tốc toàn diện, đặt nền móng cho các đột phá lớn hơn trong những năm tiếp theo.

Thành tựu từ các chính sách quốc gia thúc đẩy công nghệ lượng tử

Đáng chú ý, sự phát triển của công nghệ lượng tử không còn là câu chuyện riêng của doanh nghiệp mà ngày càng có dấu ấn đậm nét của các chính phủ và tổ chức quốc tế. Tại Nhật Bản, liên minh Fujitsu -RIKEN nhận được khoản hỗ trợ 1,3 tỷ USD từ chính phủ cho các chương trình nghiên cứu lượng tử. Pháp triển khai Kế hoạch Lượng tử Quốc gia trị giá 1,8 tỷ euro, hỗ trợ các công ty như Alice & Bob và Pasqal. Australia đầu tư 108 triệu AUD để hỗ trợ PsiQuantum xây dựng hạ tầng lượng tử. Trong khi đó, Trung Quốc đã đầu tư hơn 15 tỷ USD cho nghiên cứu lượng tử thông qua Viện Khoa học Lượng tử Thông tin Quốc gia, còn Hoa Kỳ thúc đẩy phát triển lĩnh vực này thông qua Đạo luật Sáng kiến Lượng tử Quốc gia, với ngân sách 1,2 tỷ USD cho giai đoạn 2023-2025. Cuối năm 2025, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ công bố gói tài trợ 625 triệu USD để gia hạn hoạt động và mở rộng các trung tâm này trong 5 năm tiếp theo, tập trung vào tính toán lượng tử, cảm biến lượng tử, mô phỏng và kết nối lượng tử.

Liên minh châu Âu (EU) đã sớm xác định công nghệ lượng tử là một trụ cột chiến lược khi triển khai Chương trình Chiến lược Lượng tử giai đoạn 2018-2028. Chương trình này tập trung vào bốn lĩnh vực then chốt gồm máy tính lượng tử, truyền thông lượng tử, cảm biến lượng tử và mô phỏng lượng tử, nhằm xây dựng năng lực khoa học - công nghệ dài hạn và duy trì vị thế cạnh tranh của châu Âu trong kỷ nguyên tính toán mới. Song song với EU, nhiều quốc gia phát triển như Anh, Nhật Bản, Pháp, Ấn Độ, Canada cũng đã ban hành các chương trình quốc gia quy mô lớn và dài hạn, coi công nghệ lượng tử là lĩnh vực ưu tiên chiến lược trong thập kỷ tới.

Sau giai đoạn đầu tư mạnh mẽ và xây dựng chiến lược dài hạn, nhiều chương trình phát triển công nghệ lượng tử trên thế giới đã bắt đầu cho thấy những kết quả cụ thể, có thể đo lường được. Năm 2025, Fujitsu và RIKEN công bố máy tính lượng tử siêu dẫn 256 qubit, với mật độ qubit tăng gấp bốn lần so với thế hệ trước, phản ánh bước tiến quan trọng trong thiết kế kiến trúc và tích hợp phần cứng lượng tử. Hệ thống dự kiến được đưa vào khai thác cho nghiên cứu và ứng dụng từ giữa năm 2025, góp phần củng cố vị thế của Nhật Bản trong cuộc đua phát triển máy tính lượng tử quy mô lớn.

Chính sách Kế hoạch Lượng tử Quốc gia trị giá 1,8 tỷ EUR đã giúp Pháp thúc đẩy ngành công nghệ lượng tử bằng cả nguồn lực nhà nước và tư nhân. Các công ty như Alice & Bob và Pasqal không chỉ được hỗ trợ phát triển phần cứng lượng tử mà còn bắt đầu ghi dấu trên thị trường quốc tế. Pasqal đã mở nhà máy sản xuất tại Bắc Mỹ và bán bộ xử lý lượng tử 100-qubit cho đối tác ở Canada, đồng thời tham gia xây dựng các dịch vụ lượng tử trên nền tảng đám mây. Alice & Bob được vinh danh trong danh sách Tech Next40/120 và đang triển khai tích hợp các công cụ phát triển thuật toán lượng tử mới. Những động thái này khẳng định nỗ lực chuyển giao công nghệ từ phòng thí nghiệm sang ứng dụng thực tế.

Đầu tư nhà nước của Trung Quốc vào công nghệ lượng tử đã tạo ra một số thành tựu nổi bật trong truyền thông lượng tử, bước đầu đưa chiến lược quốc gia thành kết quả cụ thể. Quốc gia này là một trong những nước đầu tiên phát triển vệ tinh lượng tử “Micius”, cho phép phân phối khóa lượng tử (QKD) giữa các trạm mặt đất và không gian, và đã được sử dụng để thực hiện phân phối chìa khóa bảo mật ở tầm xa hàng nghìn km, bao gồm cả thử nghiệm thành công liên lục địa với Áo. Đây là một bước tiến lớn trong xây dựng hệ thống liên lạc lượng tử an toàn toàn cầu và chứng minh năng lực trong lĩnh vực truyền thông lượng tử, vốn là một thực thể chiến lược của chương trình lượng tử quốc gia Trung Quốc.

Năm 2024, Origin Wukong - máy tính lượng tử siêu dẫn thế hệ thứ ba do doanh nghiệp trong nước phát triển chính thức đi vào hoạt động tại Hợp Phì (An Huy). Hệ thống sử dụng chip Wukong với 198 qubit, trong đó có 72 qubit hoạt động và 126 qubit ghép nối, được giới chuyên môn đánh giá là máy tính lượng tử siêu dẫn tiên tiến hàng đầu Trung Quốc, phản ánh năng lực tự chủ ngày càng cao về phần cứng lượng tử.

Đầu năm 2025, các nhà khoa học Trung Quốc công bố nguyên mẫu máy tính lượng tử siêu dẫn Zuchongzhi 3.0 với 105 qubit, do nhóm các nhà vật lý lượng tử hàng đầu như Pan Jianwei, Zhu Xiaobo, Peng Chengzhi phát triển. Hệ thống này sở hữu 105 qubit có thể đọc được và 182 bộ ghép nối, đạt năng lực xử lý bài toán lấy mẫu mạch lượng tử ngẫu nhiên nhanh hơn hàng triệu tỷ lần so với siêu máy tính mạnh nhất hiện nay, đồng thời vượt kết quả mới nhất của Google công bố trên Nature (tháng 10/2024) tới 1 triệu lần.

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

Ở hướng tiếp cận khác, Trung Quốc cũng đạt bước ngoặt quan trọng trong thương mại hóa máy tính lượng tử nguyên tử. Theo South China Morning Post, Hanyuan-1 - máy tính lượng tử nguyên tử đầu tiên của nước này do Viện Đổi mới Khoa học Đo lường Chính xác (CAS) phát triển đã ghi nhận đơn hàng thương mại khoảng 5,6 triệu USD. Thiết bị gồm 100 qubit, thuộc nhóm máy tính lượng tử quy mô trung gian nhiễu (NISQ), hướng tới các ứng dụng thực tế như phân tích tài chính, tối ưu hóa logistics và thiết kế vật liệu mới, và là một trong số ít hệ thống lượng tử nguyên tử trên thế giới đạt tới giai đoạn sản xuất hàng loạt.

Đáng chú ý, cuối năm 2025, Trung Quốc tiếp tục thu hút sự quan tâm của giới công nghệ toàn cầu khi công bố chip lượng tử quang tử mới, được giới thiệu có thể tăng tốc các phép tính phức tạp lên hơn 1.000 lần so với GPU hàng đầu trong một số kịch bản nhất định. Con chip do Viện CHIPX phối hợp với start-up Turing Quantum phát triển và được vinh danh tại Hội nghị Internet Thế giới Wuzhen 2025, cho thấy tham vọng mở rộng nghiên cứu lượng tử sang các nền tảng công nghệ mới, đồng thời gắn kết chặt chẽ giữa nghiên cứu, doanh nghiệp và định hướng chính sách quốc gia.

Hanyuan-1 gồm 100 qubit, là một trong số ít máy tính lượng tử nguyên tử trên thế giới đạt tới giai đoạn sản xuất hàng loạt và bàn giao thương mại. Ảnh: Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc.

Australia đang nổi lên như một điểm đến chiến lược cho nghiên cứu và triển khai lượng tử ở khu vực châu Á - Thái Bình Dương. Chính phủ liên bang và bang Queensland đã cam kết đầu tư gần 940 triệu AUD để hỗ trợ PsiQuantum xây dựng máy tính lượng tử quy mô thương mại tại Brisbane - một trong những dự án có quy mô lớn nhất thế giới với mục tiêu tạo ra hệ thống lượng tử hoàn chỉnh. Ngoài ra, chiến lược lượng tử quốc gia cũng đưa ra các khoản đầu tư để thúc đẩy thương mại hóa công nghệ này, kết nối nghiên cứu với doanh nghiệp và xây dựng năng lực nội địa thông qua quỹ như Quantum Australia và chương trình Critical Technologies Challenge.

Những tác động và ứng dụng nổi bật của máy tính lượng tử

Những tiến bộ trong phát triển chip và hệ thống máy tính lượng tử đang dần mở ra các ứng dụng đột phá trong nhiều lĩnh vực kinh tế - xã hội. Trong số đó, hai lĩnh vực được đánh giá chịu tác động rõ nét nhất là khoa học vật liệu - hóa học tính toán và tối ưu hóa - trí tuệ nhân tạo.

Ở lĩnh vực khoa học vật liệu và hóa học tính toán, máy tính lượng tử cho phép mô phỏng các phân tử và vật liệu ngay ở cấp độ lượng tử, điều mà máy tính cổ điển gần như không thể thực hiện hiệu quả. Nhờ đó, quá trình thiết kế vật liệu mới, chất xúc tác hiệu suất cao và hợp chất dược phẩm được rút ngắn đáng kể. Tháng 2/2025, dự án QuPharma với sự tham gia của SEEQC, BASF và Merck đã sử dụng máy tính lượng tử để mô phỏng chính xác cấu trúc protein tau liên quan đến bệnh Alzheimer, một bài toán mà các phương pháp tính toán truyền thống có thể mất nhiều năm. Trước đó, Pfizer đã khai thác hệ thống máy tính lượng tử của IBM để mô phỏng các phân tử thuốc ức chế protease mới trong điều trị HIV, giúp rút ngắn thời gian nghiên cứu từ khoảng ba năm xuống còn sáu tháng. Khả năng mô phỏng phản ứng hóa học phức tạp cũng đang thúc đẩy việc phát triển pin thế hệ mới, tế bào năng lượng mặt trời và các vật liệu phục vụ mục tiêu giảm phát thải, ứng phó với biến đổi khí hậu.

Trong lĩnh vực tối ưu hóa và trí tuệ nhân tạo, máy tính lượng tử cho thấy ưu thế rõ rệt khi xử lý các bài toán có không gian nghiệm cực lớn. Các ứng dụng tiềm năng trải rộng từ chuỗi cung ứng, tài chính, giao thông đến quản lý hạ tầng đô thị. Volkswagen từng sử dụng máy tính lượng tử của D-Wave để tối ưu hóa lộ trình cho khoảng 10.000 taxi tại Bắc Kinh, qua đó giảm tới 30% thời gian di chuyển. Trong lĩnh vực tài chính, Goldman Sachs và JPMorgan Chase đang thử nghiệm các thuật toán lượng tử để định giá công cụ tài chính phức tạp, tối ưu danh mục đầu tư và phát hiện gian lận, với tốc độ nhanh hơn đáng kể so với phương pháp truyền thống.

Bên trong máy tính lượng tử IBM Quantum System One. Ảnh: IBM

Tương tự như trí tuệ nhân tạo, chăm sóc sức khỏe được xem là một trong những lĩnh vực hưởng lợi lớn nhất từ điện toán lượng tử trong tương lai. Máy tính lượng tử có khả năng xử lý và đánh giá hàng tỷ tổ hợp phân tử, mở đường cho việc phát triển thuốc và liệu pháp điều trị mới trong thời gian ngắn hơn rất nhiều so với hiện nay. IBM cùng Trung tâm Y tế Cleveland Clinic đã công bố IBM Quantum System One - máy tính lượng tử có khả năng xử lý khối lượng dữ liệu lớn với tốc độ cao. Theo Interesting Engineering ngày 28/3/2024, đây là máy tính lượng tử đầu tiên trên thế giới được thiết kế riêng cho nghiên cứu y học, hiện đang vận hành tại cơ sở của Cleveland Clinic ở bang Ohio (Mỹ).

Tháng 12/2024, Google công bố chip lượng tử Willow có thể giải một bài toán trong vài phút, trong khi siêu máy tính nhanh nhất thế giới cần thời gian dài không tưởng để hoàn thành. Theo Rajeeb Hazra, tiến bộ này có thể mở ra kỷ nguyên y học cá nhân hóa, nơi các loại thuốc được thiết kế riêng cho từng bệnh nhân, thay vì áp dụng các phác đồ điều trị chung. Cách tiếp cận tương tự cũng có thể được áp dụng trong sản xuất phân bón hiệu quả hơn, mang lại lợi ích lớn cho nông nghiệp toàn cầu.

Không chỉ dừng ở y tế và giao thông, công nghệ lượng tử còn được nghiên cứu ứng dụng trong hạ tầng năng lượng và hàng không. Mạng điện quốc gia Anh đang thử nghiệm các giải pháp lượng tử để quản lý tải điện thông minh, điều phối hàng nghìn nguồn phát theo thời gian thực nhằm giảm nguy cơ mất điện. Trong lĩnh vực hàng không, Airbus hợp tác với IonQ để phát triển các thuật toán lượng tử tối ưu hóa việc xếp hàng hóa lên máy bay, giúp cân bằng trọng tâm tốt hơn và tiết kiệm nhiên liệu - yếu tố có thể tạo ra khác biệt lớn về chi phí vận hành.

Chip Willow của Google Quantum AI. Ảnh: Reuters

Bước ngoặt 2025 và vai trò định hình của máy tính lượng tử trong thế giới năm 2026

Năm 2025 được xem là giai đoạn bước ngoặt trong cuộc đua phát triển chip và hệ thống máy tính lượng tử, khi cạnh tranh giữa các tập đoàn công nghệ lớn và startup đổi mới ngày càng gay gắt. Sự song song tồn tại của nhiều hướng tiếp cận, từ qubit siêu dẫn, quang tử đến nguyên tử trung tính đang tạo nên một hệ sinh thái đa dạng, với nhiều con đường tiềm năng dẫn tới mục tiêu chung: máy tính lượng tử có tính ứng dụng thực tiễn.

Tuy nhiên, bên cạnh tiềm năng to lớn, việc chứng minh giá trị thương mại rõ ràng của máy tính lượng tử vẫn là thách thức then chốt. Các doanh nghiệp không chỉ cần phần cứng mạnh hơn, mà còn phải phát triển những ứng dụng cho thấy lợi thế vượt trội so với máy tính cổ điển, đồng thời xây dựng hệ sinh thái phần mềm, thuật toán và công cụ phát triển đủ thân thiện để thu hút cộng đồng người dùng. Những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật sửa lỗi lượng tử, kiến trúc chip và khả năng mở rộng hệ thống đang mang lại những tín hiệu tích cực cho giai đoạn tiếp theo của công nghệ này.

Bước sang năm 2026, máy tính lượng tử được giới công nghệ và hoạch định chính sách đánh giá là một trong những công nghệ có sức ảnh hưởng lớn nhất, không phải vì đã phổ cập rộng rãi, mà bởi khả năng định hình lại nền tảng tính toán trong trung và dài hạn. Sau giai đoạn tăng tốc mạnh mẽ của năm 2025, điện toán lượng tử đã chuyển từ “trình diễn năng lực” sang chứng minh giá trị ứng dụng ban đầu, với các hệ thống hàng trăm qubit, nền tảng đám mây lượng tử và những thử nghiệm cụ thể trong y học, vật liệu, tài chính và tối ưu hóa công nghiệp. Cùng với sự tham gia ngày càng sâu của các chính phủ và tập đoàn công nghệ lớn, máy tính lượng tử được xem là trụ cột công nghệ chiến lược, có khả năng tác động lâu dài tới an ninh công nghệ, năng lực cạnh tranh quốc gia và cách con người giải quyết những bài toán lớn của thế giới trong thập kỷ tới.