Đài Loan hướng tới chuyển lợi thế dẫn đầu ngành chip thành ưu thế về lượng tử

Vì sao lợi thế chip của Đài Loan quan trọng với điện toán lượng tử

Năng lực sản xuất chip của Đài Loan là trọng tâm trong nỗ lực mới nhằm xây dựng một hệ sinh thái điện toán lượng tử trong nước. Những ngày gần đây, các tiếng nói cấp cao từ Academia Sinica và Viện Nghiên cứu Công nghệ Công nghiệp kêu gọi chính phủ và ngành công nghiệp biến thế mạnh bán dẫn của đất nước thành động lực phát triển phần cứng, phần mềm và nhân lực lượng tử. Chip là trung tâm của mọi hệ thống lượng tử, từ thiết bị qubit đến điện tử điều khiển nhiệt độ siêu thấp. Điều đó mở ra cơ hội thiết thực để Đài Loan tiến nhanh hơn quy mô của mình có thể gợi ra.

Điểm khác biệt của máy tính lượng tử là qubit, một thiết bị có thể tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái. Qubit rất mong manh. Nhiệt, rung động và tín hiệu điện nhiễu nhanh chóng phá hủy thông tin của chúng. Hầu hết thiết kế hoạt động ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối. Các chip tạo ra, đo lường và điều khiển qubit phải chính xác, ít nhiễu và đáng tin cậy ở nhiệt độ siêu thấp. Chế tạo những linh kiện như vậy cần đến các kỹ năng tương tự như sản xuất bán dẫn tiên tiến hàng đầu, gồm quang khắc chính xác, vật liệu tiên tiến và kiểm soát quy trình với tỷ lệ thành phẩm cao.

Đài Loan hiện sản xuất phần lớn chip logic tiên tiến nhất thế giới, cung cấp sức mạnh cho trí tuệ nhân tạo và điện toán hiệu năng cao. Các nhà phân tích ước tính những nhà máy chế tạo chip của Đài Loan chiếm khoảng 90% các nút công nghệ tiên tiến nhất được các nền tảng toàn cầu sử dụng. Đất nước này cũng dẫn đầu về đóng gói và kiểm thử, những khâu thiết yếu để kết nối các thiết bị dày đặc phải vừa bên trong tủ lạnh pha loãng. Sự kết hợp thế mạnh này là lý do các chuyên gia trong nước cho rằng Đài Loan có thể chuyển vị thế dẫn đầu ngành chip thành tiến bộ thiết thực trong lĩnh vực lượng tử.

Từ nhà máy chế tạo đến qubit: những năng lực có thể tận dụng

Nhiều năng lực có thể chuyển trực tiếp từ sản xuất bán dẫn hiện đại sang nghiên cứu lượng tử. Quang khắc cực kỳ chính xác và kỷ luật trong phòng sạch hỗ trợ chế tạo cấu trúc qubit trong mạch siêu dẫn và chấm lượng tử silicon. Đóng gói tiên tiến và kết nối liên mạch giúp dẫn hàng nghìn đường điều khiển vào môi trường lạnh mà không gây thêm nhiễu. Kiểm soát quy trình đã hoàn thiện giúp tăng tính đồng nhất và tỷ lệ thành phẩm, hai yếu tố hạn chế khả năng mở rộng của các thiết bị lượng tử hiện nay. Về điện tử, kinh nghiệm của Đài Loan với chip tần số vô tuyến và giao tiếp tốc độ cao có thể hỗ trợ thiết kế chip điều khiển nhiệt độ siêu thấp, đặt gần qubit để giảm độ phức tạp của hệ thống dây dẫn.

Đề xuất hiện nay của các chuyên gia ở Đài Bắc

Chen Chii-dong, nghiên cứu viên cao cấp xuất sắc tại Trung tâm Nghiên cứu các Vấn đề Trọng yếu của Academia Sinica kiêm giám đốc điều hành Trung tâm Chuyên đề về Điện toán Lượng tử, nêu mục tiêu rõ ràng: xây dựng năng lực trong nước. Ông lập luận rằng Đài Loan nên triển khai nỗ lực toàn diện, bao quát thiết bị, phần mềm điều khiển và nền tảng kiểm thử.

Trình bày lý do cần có một nỗ lực cấp quốc gia, ông Chen nói Đài Loan nên chuyển thế mạnh chip thành một chương trình lượng tử hoàn chỉnh và đào tạo chuyên gia ở nhiều lĩnh vực. Ông nói thẳng:

Đài Loan có lợi thế tuyệt đối về bán dẫn, và nên tận dụng lợi thế đó để xây dựng hệ sinh thái điện toán lượng tử của riêng mình, đồng thời đào tạo nhân tài trong nước.

Ông cũng thúc đẩy việc chế tạo một nguyên mẫu hoạt động được tại Đài Loan. Xây dựng máy tính lượng tử trong nước không chỉ mang ý nghĩa biểu tượng. Nỗ lực thực tiễn này sẽ tạo nền tảng để các nhà cung ứng tích lũy kinh nghiệm và phát triển công cụ trên toàn bộ hệ thống. Như ông Chen giải thích:

Phát triển máy tính lượng tử trong nước sẽ thúc đẩy tiến bộ về phần cứng liên quan và phần mềm điều khiển.

Jeff Lin, tổng giám đốc Trung tâm Chiến lược Quốc tế về Công nghiệp, Khoa học và Công nghệ của ITRI, đưa ra kế hoạch hành động về chính sách và công nghiệp. Ông kêu gọi Đài Loan tập trung vào các công nghệ lượng tử cốt lõi gắn với trí tuệ nhân tạo, tham gia quan hệ đối tác chuỗi cung ứng với Mỹ, châu Âu và Nhật Bản, tăng cường hợp tác giữa ngành công nghiệp và giới học thuật, đồng thời xây dựng nền tảng nghiên cứu và kiểm chứng để đẩy nhanh thương mại hóa. Ông cũng kêu gọi xây dựng quy định về rủi ro, chủ quyền dữ liệu và đạo đức, cùng cải cách pháp lý và giáo dục nhằm hỗ trợ nhân lực liên ngành. Ông nêu rõ tầm quan trọng của vấn đề:

Công nghệ lượng tử đã trở thành mặt trận chiến lược mới sau AI. Khoảng 30 quốc gia đã đưa lĩnh vực này vào kế hoạch phát triển quốc gia.

Kế hoạch của ông Lin cũng hướng tới cách tiếp cận hệ sinh thái: một bãi thử nghiệm quốc gia để các công ty khởi nghiệp và trường đại học kiểm chứng ý tưởng, một kênh cấp vốn gắn với các mốc tiến độ, và một chương trình chuyển các mô-đun nghiên cứu thành phân hệ đạt tiêu chuẩn công nghiệp. Mục tiêu là rút ngắn chu kỳ học hỏi, giảm thời gian từ kết quả trong phòng thí nghiệm đến triển khai thí điểm, đồng thời tạo lộ trình rõ ràng hơn cho các kỹ sư chuyển từ vai trò về chip truyền thống sang dự án lượng tử.

Đài Loan đứng ở đâu trong cuộc đua toàn cầu

Công nghệ lượng tử hiện là một phần của cuộc cạnh tranh rộng hơn về chip, điện toán và các ngành công nghiệp chiến lược. Mỹ và các đồng minh đang đầu tư quy mô lớn thông qua các chương trình công và quan hệ đối tác tư nhân, đồng thời siết chặt quy định xuất khẩu các công cụ tiên tiến sang Trung Quốc. Việc TSMC mở rộng hoạt động tại Arizona với sự hỗ trợ của nguồn vốn công phản ánh nỗ lực xây dựng năng lực bán dẫn tiên tiến có khả năng chống chịu. Những động thái này đang định hình lại địa điểm tiến hành nghiên cứu nhạy cảm và vị trí của các chuỗi cung ứng tương lai.

Về phần mình, Trung Quốc đang đầu tư mạnh để giảm phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài. Các ngân hàng chính sách, quỹ nhà nước và chương trình cấp tỉnh hỗ trợ những dự án chip và lượng tử trong nước, đi kèm hoạt động thu hút nhân tài và các hạn chế mới đối với vật liệu chiến lược. Động lực này làm tăng sức ép đối với Đài Loan. Ngành chip của hòn đảo nằm ở trung tâm các chuỗi giá trị toàn cầu, nhưng cũng chịu áp lực phải nhân rộng năng lực ở nước ngoài và quản lý rủi ro chính sách.

Với Đài Loan, sự đan xen giữa cơ hội và rủi ro này cho thấy cần hành động. Đất nước có thể tận dụng các quan hệ đối tác đáng tin cậy để tham gia các liên minh lượng tử quốc tế, đồng thời giữ các công việc có giá trị cao trong nước. Đài Loan cũng có thể định vị mình là cầu nối giữa chip truyền thống và các thí nghiệm lượng tử, lĩnh vực mà nước này đã có quy mô, bí quyết và mạng lưới nhà cung ứng sâu rộng.

Những hướng phần cứng nào phù hợp với Đài Loan

Chưa có thiết kế qubit nào chiếm ưu thế tuyệt đối. Mỗi hướng tiếp cận hàng đầu đều có những đánh đổi về khả năng chịu nhiễu, nhiệt độ vận hành, tốc độ cổng lượng tử và mức độ dễ sản xuất. Đài Loan không cần theo đuổi mọi hướng. Chiến lược tốt hơn là chọn những lĩnh vực chuyên biệt phù hợp với thế mạnh chip và cụm nhà cung ứng hiện có, rồi tích hợp các năng lực đó vào các chương trình toàn cầu.

Mạch siêu dẫn

Qubit siêu dẫn sử dụng các tiếp giáp Josephson được tạo hình trên màng mỏng, dẫn điện không có điện trở ở nhiệt độ rất thấp. Quy trình chế tạo đòi hỏi màng siêu dẫn tinh khiết, tạo hình chính xác và xử lý bề mặt cẩn thận. Các nút thắt lớn nhất là đóng gói nhiệt độ siêu thấp và điều khiển vi sóng. Các doanh nghiệp đóng gói tiên tiến của Đài Loan có thể phát triển bộ chuyển tiếp tổn hao thấp và hệ thống dây dẫn ba chiều để đưa tín hiệu vi sóng vào các tầng nhiệt độ siêu thấp. Các nhóm điện tử trong nước có thể thiết kế mô-đun điều khiển và bộ lọc nhỏ gọn nhằm hạn chế nhiễu. Các phòng thí nghiệm kiểm thử có thể chuyên về quy trình hiệu chuẩn để rút ngắn thời gian đưa chip mới vào hoạt động bên trong tủ lạnh pha loãng.

Qubit spin trong silicon

Qubit spin trong silicon được tạo nên từ các chấm lượng tử hình thành trong những cấu trúc bán dẫn đã được hiểu rõ. Ưu điểm rất rõ ràng. Về nguyên tắc, các thiết bị này có thể tận dụng cùng quy trình quang khắc và kiểm soát sản xuất hiện có tại những nhà máy chế tạo hàng đầu. Các chương trình toàn cầu cho thấy thiết bị spin silicon có thể được sản xuất bằng công cụ thông thường rồi kết hợp với mạch điều khiển nhiệt độ siêu thấp. Nếu qubit có thể hoạt động ở gần 4 kelvin thay vì mức millikelvin, việc tích hợp với CMOS nhiệt độ thấp sẽ dễ dàng hơn và có thể đơn giản hóa hệ thống dây dẫn. Các nhà máy chế tạo và công ty thiết kế của Đài Loan có vị thế thuận lợi để nghiên cứu hướng này, đặc biệt nếu một dự án quốc gia tài trợ các bộ công cụ phát triển quy trình dùng chung, các đợt chế tạo theo lô luân phiên và công cụ tự động hóa thiết kế điện tử nhiệt độ siêu thấp.

Hệ thống quang tử và ion

Ion bị bẫy và qubit quang tử dựa nhiều hơn vào quang học chính xác, laser và hệ thống chân không so với các công đoạn silicon truyền thống. Ngay cả trong lĩnh vực này, Đài Loan vẫn có thể đóng góp. Quang tử tích hợp, đóng gói quang học và vật liệu chuyên dụng là những lĩnh vực mà các nhà cung ứng hiện có có thể tận dụng kỹ năng của mình. Các trường đại học có thể dẫn đầu trong nguồn laser ổn định, chuyển mạch quang học và bộ lặp lượng tử phục vụ liên lạc an toàn.

Ở mọi phương thức, có hai chủ đề thường xuyên xuất hiện. Thứ nhất, hạ tầng nhiệt độ siêu thấp và nhân lực đo lường là thiết yếu. Thứ hai, các thiết kế lai kết hợp bộ xử lý lượng tử với bộ tăng tốc cổ điển sẽ chiếm ưu thế trong những ứng dụng ban đầu. Vị trí gần các chuỗi cung ứng điện toán hiệu năng cao là lợi thế mang tính cấu trúc của Đài Loan đối với mô hình lai này.

Nhân lực và giáo dục

Điện toán lượng tử kết hợp vật lý, khoa học máy tính, kỹ thuật điện, khoa học vật liệu và toán ứng dụng. Ông Chen nhấn mạnh thời gian cần thiết để phát triển chuyên môn, đồng thời kêu gọi sinh viên và kỹ sư đang ở giữa sự nghiệp bước vào lĩnh vực này từ các ngành vật lý, khoa học thông tin, kỹ thuật điện và điện tử. Lộ trình học tập đi từ đại số tuyến tính và cơ học lượng tử đến lý thuyết điều khiển và kỹ thuật nhiệt độ siêu thấp có thể giúp người mới nhanh chóng nắm bắt kiến thức.

Đài Loan đã bắt đầu tổ chức các chương trình. Văn phòng Chương trình Lượng tử Đài Loan (2021) và Đội ngũ Lượng tử Quốc gia (2022) được thành lập với ngân sách nhiều năm, tổng cộng khoảng 259 triệu USD trong năm năm. Chương trình bao quát phần cứng máy tính lượng tử, quang học, phần mềm và ứng dụng. Các dự án trong nước đã báo cáo những nguyên mẫu, trong đó có máy tính lượng tử do Đài Loan tự phát triển và các thử nghiệm trình diễn phân phối khóa lượng tử. Đất nước này cũng tích cực trong lĩnh vực mật mã hậu lượng tử và là nơi đặt Trung tâm Chuyển đổi An toàn Lượng tử, hỗ trợ các tổ chức lên kế hoạch nâng cấp để ứng phó với những cuộc tấn công trong tương lai bằng máy tính lượng tử.

Quan hệ đối tác và quản trị

Các quan chức và nhà nghiên cứu cho rằng Đài Loan nên tăng cường hợp tác với Mỹ, châu Âu và Nhật Bản trong cả nghiên cứu lẫn chuỗi cung ứng. Tham gia các chương trình toàn cầu giúp tiếp cận các bãi thử nghiệm dùng chung, các đợt chế tạo và tiêu chuẩn. Hợp tác với Ấn Độ cũng là hướng triển vọng, xét đến Sứ mệnh Lượng tử Quốc gia của nước này và thế mạnh về truyền thông, cảm biến lượng tử. Các dự án chung có thể kết hợp chuyên môn về thiết bị và chip của Đài Loan với thế mạnh của đối tác trong thuật toán, đo lường học và hệ thống kết nối mạng.

Quản trị cũng cần được chú trọng. Ông Jeff Lin đã kêu gọi một khuôn khổ toàn diện bao quát đánh giá rủi ro, chủ quyền dữ liệu và đạo đức. Quá trình chuyển đổi sang mật mã hậu lượng tử cần được lên lịch và kiểm thử trên cơ sở hạ tầng trọng yếu, với các mốc mua sắm và tuân thủ cụ thể. Quy định kiểm soát xuất khẩu, bảo vệ sở hữu trí tuệ và quy trình an ninh sẽ định hình ai có thể tham gia dự án nào và thiết bị nào có thể được chia sẻ. Chính sách rõ ràng giúp giảm bất định cho các công ty khởi nghiệp và nhà nghiên cứu, đồng thời xây dựng lòng tin với đối tác quốc tế.

Những trở ngại Đài Loan cần giải quyết

Thiết bị chuyên dụng đang khan hiếm. Tủ lạnh pha loãng, trạm dò nhiệt độ thấp và thiết bị đo tần số cao đều đắt đỏ và thiếu nguồn cung. Cơ sở dùng chung có thể giảm bớt nút thắt, nhưng cần được cấp vốn ổn định và có nhân viên vận hành lành nghề. Thời gian sử dụng nhà máy chế tạo cũng là một hạn chế, do các dây chuyền sản xuất đã kín chỗ với nhu cầu cao về chip AI và máy chủ. Nếu không có các mô-đun quy trình chuyên dụng và lịch chế tạo theo lô luân phiên, thiết bị lượng tử sẽ phải chờ sau các đơn hàng thương mại.

Ví dụ từ ngành công nghiệp cho thấy vì sao cần gắn kết chặt chẽ công cụ bán dẫn với nghiên cứu lượng tử. Các chương trình lớn ở nước ngoài đang thử nghiệm qubit spin silicon trên quy trình tiêu chuẩn, đồng thời xây dựng chip điều khiển nhiệt độ siêu thấp và hạ tầng kiểm thử xoay quanh chúng. Bài học không phải là Đài Loan phải sao chép một hướng tiếp cận cụ thể nào. Bài học là các nhóm lượng tử cần được tiếp cận quang khắc, đo lường và đóng gói tiên tiến ngay từ bây giờ. Đài Loan có bí quyết để theo đuổi những hướng này nếu cam kết đầu tư công cụ, nhân lực và thời gian.

Kế hoạch và các mốc ngắn hạn

Hội đồng Khoa học và Công nghệ Quốc gia Đài Loan dự kiến triển khai dự án xây dựng hệ thống máy tính lượng tử chủ lực vào năm 2026. Mục tiêu là kết nối hệ thống này với các nền tảng điện toán hiệu năng cao, tạo ra một nguồn lực lai mà giới nghiên cứu và ngành công nghiệp có thể sử dụng. Điều này phản ánh xu hướng toàn cầu kết hợp bộ xử lý lượng tử với siêu máy tính và bộ tăng tốc AI để xử lý các tác vụ thực tiễn.

Một số bước cụ thể có thể đẩy nhanh tiến độ. Một trung tâm nhiệt độ siêu thấp quốc gia với nhiều vị trí đặt tủ lạnh và mô hình cung cấp dịch vụ sẽ rút ngắn thời gian chờ thí nghiệm. Chương trình phát triển chip điều khiển CMOS nhiệt độ siêu thấp sẽ đưa các công ty thiết kế vào lĩnh vực này và tạo ra những khối chức năng có thể tái sử dụng. Dây chuyền đóng gói thí điểm cho qubit siêu dẫn và qubit spin sẽ cho phép các nhóm thử nghiệm lặp lại các kết nối liên mạch tổn hao thấp và hệ thống dây dẫn 3D. Các đợt chế tạo luân phiên thường xuyên với bộ công cụ phát triển quy trình dành riêng cho thiết bị lượng tử sẽ giúp tích lũy số liệu về thiết bị và cải thiện tỷ lệ thành phẩm. Nền tảng kiểm thử và xác minh công khai sẽ giúp các công ty khởi nghiệp kiểm chứng linh kiện, còn quỹ đổi mới gắn với các mốc kỹ thuật rõ ràng sẽ giúp thu hẹp khoảng cách giữa kết quả phòng thí nghiệm và sản phẩm ban đầu.

Các ứng dụng cần ưu tiên

Một số lĩnh vực ứng dụng phù hợp với thế mạnh của Đài Loan. Trong ngành bán dẫn, thuật toán lấy cảm hứng từ lượng tử và về sau là các bộ tăng tốc lượng tử quy mô nhỏ có thể hỗ trợ khám phá vật liệu, mô phỏng quy trình và tối ưu hóa thiết kế. Trong an ninh mạng, chính phủ và ngành tài chính có thể lên lịch chuyển đổi sang mật mã hậu lượng tử và kiểm thử các liên kết truyền thông lượng tử dành cho dữ liệu nhạy cảm. Trong chăm sóc sức khỏe, các phương pháp lượng tử có thể hỗ trợ mô hình hóa protein hoặc tái tạo hình ảnh khi phần cứng trưởng thành hơn. Trong năng lượng và sản xuất, quy trình kết hợp lượng tử với điện toán cổ điển có thể cải thiện việc lập lịch và hậu cần trong các chuỗi cung ứng phức tạp. Mỗi hướng này đều có lợi từ việc kiểm thử sớm, ngay cả trước khi xuất hiện các máy tính quy mô lớn có khả năng chịu lỗi.

Những điểm chính

• Chen Chii-dong của Academia Sinica kêu gọi Đài Loan xây dựng máy tính lượng tử trong nước để thúc đẩy tiến bộ về phần cứng, phần mềm điều khiển và kiểm thử.
• Jeff Lin của ITRI kêu gọi một kế hoạch quốc gia tập trung vào công nghệ cốt lõi gắn với AI, quan hệ đối tác toàn cầu, quản trị rủi ro và dữ liệu, cùng nền tảng nghiên cứu và kiểm chứng.
• Thế mạnh của Đài Loan về chế tạo, đóng gói và kiểm thử chip có thể hỗ trợ các dự án lượng tử siêu dẫn, spin silicon và quang tử.
• Địa chính trị đang định hình lại chuỗi cung ứng. Mỹ và các đồng minh đang đầu tư, siết chặt kiểm soát, trong khi Trung Quốc thúc đẩy tự chủ.
• Đài Loan đã tổ chức các chương trình quốc gia, gồm Văn phòng Chương trình Lượng tử Đài Loan (2021) và Đội ngũ Lượng tử Quốc gia (2022), với ngân sách nhiều năm.
• Các khoảng trống chính gồm hạ tầng nhiệt độ siêu thấp hạn chế, thiết bị chuyên dụng khan hiếm và khó tiếp cận nhà máy chế tạo. Cơ sở dùng chung và các đợt chế tạo luân phiên chuyên biệt có thể giúp khắc phục.
• Hội đồng Khoa học và Công nghệ Quốc gia dự kiến triển khai dự án tích hợp lượng tử và điện toán hiệu năng cao vào năm 2026 để tạo nguồn lực lai phục vụ nghiên cứu và công nghiệp.
• Các ứng dụng ưu tiên gồm nghiên cứu và phát triển vật liệu, chip; mật mã hậu lượng tử; truyền thông lượng tử; và tối ưu hóa chuỗi cung ứng.