Nhật Bản ra mắt máy tính lượng tử đầu tiên hoàn toàn do trong nước phát triển, tiến một bước tới tự chủ công nghệ

Cột mốc máy tính lượng tử của Nhật Bản: Tự chủ hoàn toàn về công nghệ

Nhật Bản vừa đạt bước đột phá lịch sử trong lĩnh vực điện toán tiên tiến khi đưa vào vận hành máy tính lượng tử đầu tiên được chế tạo hoàn toàn bằng linh kiện và phần mềm phát triển trong nước. Hệ thống mang tính cột mốc này hiện hoạt động tại Trung tâm Thông tin Lượng tử và Sinh học Lượng tử (QIQB), Đại học Osaka, đánh dấu bước ngoặt trong hành trình công nghệ của Nhật Bản: không chỉ thể hiện năng lực khoa học mà còn là bước đi chiến lược hướng tới tự chủ quốc gia trong một trong những lĩnh vực công nghệ cạnh tranh nhất thế giới.

Máy tính lượng tử đi vào hoạt động ngày 28 tháng 7 năm 2025 là thành quả của nhiều năm hợp tác giữa các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp hàng đầu Nhật Bản. Bằng việc thay thế toàn bộ linh kiện nhập khẩu trước đây bằng công nghệ nội địa và vận hành trên phần mềm mã nguồn mở do Nhật Bản phát triển, dự án mở ra kỷ nguyên mới về đổi mới sáng tạo và khả năng chống chịu của chuỗi cung ứng trong nước.

Điều gì làm nên sự khác biệt của máy tính lượng tử Nhật Bản?

Khác với các máy tính lượng tử trước đây của Nhật Bản vốn phụ thuộc vào linh kiện hoặc phần mềm sản xuất ở nước ngoài, hệ thống mới này hoàn toàn do trong nước phát triển. Mọi thành phần thiết yếu, từ chip lượng tử đến hệ thống làm lạnh, đều được thiết kế, chế tạo và tích hợp tại Nhật Bản. Bộ xử lý lượng tử (QPU) cốt lõi của hệ thống do viện nghiên cứu danh tiếng RIKEN phát triển, trong khi các linh kiện thiết yếu khác như vỏ chip, tấm chắn từ, bộ lọc hồng ngoại và bộ lọc thông dải, bộ khuếch đại nhiễu thấp cùng các loại cáp chuyên dụng đều do doanh nghiệp Nhật Bản sản xuất.

Các linh kiện này được đặt trong tủ lạnh pha loãng, một thiết bị làm lạnh sâu phức tạp giúp hạ nhiệt độ chip lượng tử xuống gần độ không tuyệt đối (chỉ cao hơn -273,15°C vài millikelvin). Nhiệt độ cực thấp này cần thiết để các qubit siêu dẫn—bit lượng tử làm từ kim loại mất hoàn toàn điện trở ở nhiệt độ thấp như vậy—duy trì được các trạng thái lượng tử mong manh. Các hệ thống hỗ trợ gồm tủ lạnh ống xung để làm lạnh ban đầu, bộ điều khiển tiên tiến và nguồn điện nhiễu thấp, tất cả đều được thiết kế trong nước.

Về phần mềm, hệ thống sử dụng Open Quantum Toolchain for Operators and Users (OQTOPUS), bộ công cụ mã nguồn mở được phát triển hoàn toàn tại Nhật Bản. OQTOPUS cung cấp mọi thứ cần thiết để lập trình, vận hành và giám sát máy tính lượng tử, gồm một công cụ lõi, mô-đun đám mây và giao diện đồ họa. Cách tiếp cận mã nguồn mở này không chỉ thúc đẩy hợp tác và minh bạch mà còn bảo đảm Nhật Bản nắm toàn quyền kiểm soát hệ sinh thái điện toán lượng tử của mình.

Điện toán lượng tử hoạt động ra sao và vì sao mang tính cách mạng?

Máy tính lượng tử hoạt động theo những nguyên lý khác biệt căn bản so với máy tính cổ điển. Máy tính truyền thống dùng bit, biểu diễn một trong hai giá trị 0 hoặc 1; còn máy tính lượng tử sử dụng qubit, có thể tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái nhờ các hiện tượng lượng tử như chồng chập và vướng víu. Nhờ đó, máy tính lượng tử có thể xử lý nhiều phép tính song song, mở ra khả năng giải quyết những bài toán hiện nằm ngoài khả năng xử lý của cả những siêu máy tính nhanh nhất thế giới.

Chẳng hạn, máy tính lượng tử có thể tạo bước đột phá trong:

• Phát triển thuốc: Mô phỏng tương tác phân tử ở cấp độ lượng tử để đẩy nhanh quá trình phát triển thuốc mới.
• Khoa học vật liệu: Thiết kế vật liệu mới với các đặc tính được tùy chỉnh bằng cách mô hình hóa tương tác lượng tử.
• Tối ưu hóa: Cải thiện hoạt động logistics, quản lý giao thông và chuỗi cung ứng bằng cách nhanh chóng đánh giá vô số kịch bản có thể xảy ra.
• Học máy: Nâng cao trí tuệ nhân tạo nhờ phân tích dữ liệu nhanh hơn và phức tạp hơn.

Tuy nhiên, chế tạo một máy tính lượng tử ứng dụng được trên thực tế là việc cực kỳ khó khăn. Qubit rất nhạy với môi trường, và ngay cả một nhiễu động nhỏ nhất cũng có thể gây lỗi trong quá trình tính toán. Số lượng qubit càng tăng, việc duy trì trạng thái lượng tử và sửa lỗi càng khó. Vì vậy, phần lớn nghiên cứu hiện nay tập trung vào sửa lỗi lượng tử và cải thiện độ ổn định của các hệ thống lượng tử.

Con đường tự chủ lượng tử của Nhật Bản: Những ai đã góp sức?

Máy tính lượng tử Osaka là thành quả của liên minh rộng lớn giữa giới học thuật, chính phủ và doanh nghiệp. Các đối tác chủ chốt gồm RIKEN (phát triển chip lượng tử), ULVAC và ULVAC CRYOGENICS (hệ thống làm lạnh sâu), e-trees.Japan, QuEL, QunaSys, Systems Engineering Consultants, TIS và Fujitsu. Liên minh này bảo đảm mọi khía cạnh của dự án, từ chế tạo vi mô và làm lạnh sâu đến hệ thống điều khiển điện tử và phần mềm, đều được thực hiện trong nước.

Sự hỗ trợ của chính phủ đóng vai trò then chốt. Nguồn tài trợ từ Bộ Giáo dục, Cơ quan Khoa học và Công nghệ Nhật Bản cùng Văn phòng Nội các cho thấy tầm quan trọng chiến lược của công nghệ lượng tử đối với tương lai khoa học và kinh tế Nhật Bản. Đại học Osaka, một cơ sở hàng đầu với bề dày đổi mới sáng tạo, là trung tâm của dự án, phát huy chuyên môn về khoa học thông tin lượng tử và kỹ thuật.

Ý nghĩa công nghệ và chiến lược

Việc đạt được tự chủ hoàn toàn về công nghệ trong lĩnh vực điện toán lượng tử giúp Nhật Bản giảm nguy cơ bị ảnh hưởng bởi gián đoạn chuỗi cung ứng toàn cầu và các hạn chế xuất khẩu. Sự tự chủ này cũng cho phép tùy chỉnh và tối ưu hóa các hệ thống lượng tử tốt hơn để đáp ứng những ưu tiên quốc gia, từ nghiên cứu khoa học đến ứng dụng công nghiệp và an ninh quốc gia.

Giáo sư Akihiro Kubota thuộc Đại học Nghệ thuật Tama, người hợp tác trong hoạt động phổ biến kiến thức về dự án, giải thích:

Dự án này không chỉ nhằm chế tạo một chiếc máy tính. Đây còn là việc xây dựng một hệ sinh thái đổi mới, sáng tạo và hợp tác để thúc đẩy tương lai của Nhật Bản trong kỷ nguyên lượng tử.

Ra mắt công chúng tại Expo 2025: Đưa điện toán lượng tử đến với đông đảo mọi người

Máy tính lượng tử do Nhật Bản phát triển đã ra mắt công chúng tại Expo 2025 ở Osaka, diễn ra từ ngày 14 đến ngày 20 tháng 8. Triển lãm mang tên “entangle moment – [quantum, ocean, universe] x art” được tổ chức nhằm giúp công chúng hiểu rõ hơn về công nghệ lượng tử và truyền cảm hứng cho thế hệ đổi mới tiếp theo.

Khách tham quan triển lãm có thể tương tác với máy tính lượng tử thông qua truy cập đám mây từ xa, chạy các chương trình lượng tử cơ bản và khám phá những hiện tượng như vướng víu qua các khu trưng bày tương tác. Sự hợp tác với Giáo sư Kubota cũng bổ sung khía cạnh sáng tạo cho sự kiện, giới thiệu các tác phẩm nghệ thuật do chính máy tính lượng tử tạo ra—một minh chứng sống động cho sự giao thoa giữa khoa học và sáng tạo trong kỷ nguyên lượng tử.

Triển lãm hướng tới việc giúp đông đảo công chúng tiếp cận công nghệ lượng tử, từ học sinh, sinh viên và nhà giáo dục đến lãnh đạo doanh nghiệp và nhà hoạch định chính sách. Bằng cách kết hợp trình diễn thực hành với nghệ thuật, ban tổ chức hy vọng khơi gợi sự tò mò và giúp mọi người hiểu sâu hơn về tác động tiềm năng của điện toán lượng tử đối với xã hội.

Tác động toàn cầu: Bước đột phá lượng tử của Nhật Bản có gì nổi bật?

Thành tựu của Nhật Bản xuất hiện trong bối cảnh cạnh tranh toàn cầu về công nghệ lượng tử đang diễn ra gay gắt. Mỹ, Trung Quốc và một số nước châu Âu đã đầu tư đáng kể vào nghiên cứu lượng tử, trong khi các công ty như IBM, Google và Alibaba chạy đua chế tạo những cỗ máy lượng tử ngày càng mạnh. Cho đến nay, phần lớn máy tính lượng tử đang hoạt động tại Nhật Bản và các nơi khác đều phụ thuộc vào linh kiện nhập khẩu hoặc phần mềm độc quyền của nhà cung cấp nước ngoài.

Với việc chế tạo máy tính lượng tử hoàn toàn trong nước, Nhật Bản đã gia nhập nhóm các quốc gia có khả năng phát triển hệ thống lượng tử từ đầu đến cuối. Thành tựu này không chỉ củng cố an ninh quốc gia và năng lực cạnh tranh kinh tế mà còn giúp Nhật Bản có vị thế tiềm năng dẫn đầu trong hệ sinh thái lượng tử toàn cầu đang hình thành. Tính chất mã nguồn mở của OQTOPUS cũng thúc đẩy hợp tác và chia sẻ tri thức quốc tế, qua đó có thể đẩy nhanh tiến bộ trên toàn thế giới.

Góc nhìn chuyên gia

Các nhà phân tích ngành và nhà nghiên cứu lượng tử đánh giá dự án Osaka là hình mẫu về chủ quyền công nghệ. Như The Quantum Insider nhận định:

Việc Nhật Bản làm chủ toàn diện các công nghệ cần thiết để sản xuất máy tính lượng tử và tích hợp hệ thống cho thấy các hệ sinh thái đổi mới cấp quốc gia có thể đưa nghiên cứu tiên tiến vào những hệ thống ứng dụng trong thực tế.

Trong khi đó, các nhà quan sát quốc tế xem dự án là động lực thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi hơn và nâng cao hiểu biết về công nghệ lượng tử. Theo GreekReporter.com đưa tin:

Mục tiêu là nâng cao hiểu biết của công chúng về công nghệ này và làm nổi bật vai trò tiềm năng của nó trong việc định hình các ngành công nghiệp tương lai.

Thách thức phía trước: Con đường tiến tới điện toán lượng tử ứng dụng thực tế

Dù nhận được nhiều kỳ vọng, vẫn còn những trở ngại đáng kể trước khi máy tính lượng tử có thể phát huy hết tiềm năng. Thách thức cấp bách nhất là sửa lỗi. Qubit vốn rất mong manh, và ngay cả những nhiễu động nhỏ cũng có thể gây ra lỗi, nhanh chóng lan rộng trong quá trình tính toán. Các nhà nghiên cứu đang phát triển những thuật toán và giải pháp phần cứng tinh vi để phát hiện, sửa các lỗi này, nhưng điện toán lượng tử quy mô lớn và ứng dụng thực tế vẫn đang trong quá trình hoàn thiện.

Một thách thức khác là tăng số lượng qubit trong khi vẫn duy trì tính kết hợp và khả năng kết nối giữa chúng. Mỗi qubit bổ sung làm độ phức tạp của hệ thống tăng theo cấp số nhân, đòi hỏi tiến bộ trong khoa học vật liệu, công nghệ làm lạnh sâu và điện tử điều khiển. Cách tiếp cận tích hợp của Nhật Bản—kết hợp chuyên môn trong tất cả các lĩnh vực này—giúp nước này có vị thế thuận lợi để giải quyết những trở ngại, nhưng vẫn cần tiếp tục đầu tư và hợp tác.

Cuối cùng là bài toán phát triển nguồn nhân lực. Điện toán lượng tử đòi hỏi một thế hệ nhà khoa học, kỹ sư và nhà phát triển phần mềm mới với kỹ năng chuyên môn. Các sáng kiến như khu trưng bày tại Expo 2025 và những dự án mã nguồn mở như OQTOPUS đóng vai trò thiết yếu trong việc xây dựng nguồn nhân lực này và bảo đảm Nhật Bản duy trì vị thế tiên phong trong đổi mới lượng tử.

Tóm tắt

• Nhật Bản đã đưa vào vận hành máy tính lượng tử đầu tiên hoàn toàn do trong nước phát triển, đánh dấu cột mốc quan trọng trong nỗ lực tự chủ công nghệ.
• Hệ thống đặt tại Đại học Osaka chỉ sử dụng phần cứng phát triển trong nước và phần mềm mã nguồn mở (OQTOPUS).
• Máy tính lượng tử sử dụng qubit và các hiện tượng lượng tử để giải quyết những bài toán vượt quá khả năng của máy tính cổ điển, với ứng dụng tiềm năng trong y học, logistics và trí tuệ nhân tạo.
• Dự án có sự tham gia của liên minh rộng lớn gồm các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp Nhật Bản, cùng sự hỗ trợ mạnh mẽ từ chính phủ.
• Máy tính lượng tử ra mắt tại Expo 2025 ở Osaka, với các khu trưng bày tương tác và tác phẩm nghệ thuật do máy tính lượng tử tạo ra nhằm thu hút công chúng.
• Thành tựu này nâng cao vị thế toàn cầu của Nhật Bản trong công nghệ lượng tử và tạo tiền lệ về chủ quyền công nghệ và đổi mới sáng tạo.
• Vẫn còn những thách thức đáng kể, đặc biệt trong sửa lỗi và mở rộng quy mô, nhưng cách tiếp cận tích hợp giúp Nhật Bản có vị thế thuận lợi để đạt những đột phá trong tương lai.