Nghiên cứu và ứng dụng lĩnh vực đo lường lượng tử

Nhiều hướng R&D công nghệ đo lường lượng tử: Đo lượng tử được coi là hướng gần với ứng dụng thực tế nhất. Đo lường lượng tử có các kỹ thuật khác nhau như dựa trên nguyên tử lạnh, hơi nguyên tử nhiệt (nóng), trung tâm màu chỗ trống khuyết nitơ (NV), nguyên tử Rydberg, rối lượng tử, photon đơn và các kỹ thuật khác. Các tổ chức nghiên cứu và công ty công nghệ liên tiếp đưa ra các nguyên mẫu và sản phẩm như đồng hồ nguyên tử lạnh, trọng lượng kế, từ kế, radar lượng tử quang học và đang dần hướng tới các ứng dụng thương mại.

Giao thoa nguyên tử lạnh là một hướng công nghệ đo lượng tử với độ chính xác đo cao. Có thể thực hiện phép đo chính xác các đại lượng vật lý như tần số, lực hấp dẫn, gradien trọng lực và vận tốc góc bằng cách sử dụng các đặc tính chồng chất kết hợp của các nguyên tử lạnh. Ưu điểm chính nằm ở độ chính xác phép đo và thời gian kết hợp lâu. Tuy nhiên, do thiết bị đo lường điều khiển làm mát bằng laser phức tạp nên giao thoa kế nguyên tử lạnh có mức độ tích hợp thấp, thể tích tương đối lớn và giá thành cao; nó chủ yếu được sử dụng trong các lĩnh vực không quá quan tâm đến khối lượng, chi phí và mức tiêu thụ điện năng, nhưng lại yêu cầu độ chính xác của phép đo cao, chẳng hạn như nghiên cứu khoa học cơ bản. Nhiều công ty đã đưa ra các sản phẩm như đồng hồ và máy đo trọng lượng dựa trên nguyên tử lạnh để triển khai chúng trên xe cộ, tàu thủy hoặc trong môi trường tự nhiên khắc nghiệt (dành cho nghiên cứu khoa học, cơ quan chuyên về dịch vụ thời gian và thăm dò địa chất).

Hơi nguyên tử nhiệt (Hot atomic vapors) là một hướng kỹ thuật có độ hoàn thiện cao hiện nay và đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực đồng bộ hóa tần số thời gian. Hiện tại, đồng hồ caesium và đồng hồ rubidi thương mại đều dựa trên sự chuyển đổi mức năng lượng hơi nguyên tử nhiệt để đo tần số hoặc thời gian. Các hạt nhân nguyên tử và các electron trong hơi nguyên tử nhiệt có đặc tính nội tại là spin, chúng sẽ được kết hợp với trường bên ngoài và cũng có thể được sử dụng để đo từ trường và vận tốc góc. Từ kế lượng tử dựa trên hơi nguyên tử nhiệt đã được thương mại hóa, đặc biệt là từ kế SERF (spin-exchange relaxation-free), có ưu điểm là độ nhạy cực cao, so với giao thoa kế siêu dẫn, chúng có ưu điểm là không cần thiết bị làm mát, chi phí bảo trì thấp và khả năng phát hiện ở cự ly gần. Nó được kỳ vọng sẽ trở thành thế hệ tiếp theo của các giải pháp phát hiện từ trường yếu của cơ thể con người như từ trường tim mạch và từ tính não.

Trung tâm màu chỗ trống nitơ (NV) là một công nghệ đo lường mới được phát triển gần đây. Trung tâm màu kim cương NV bao gồm một nguyên tử nitơ và các chỗ trống nguyên tử cacbon liền kề, trạng thái lượng tử của nó có thể được điều chế, thao tác và đọc bằng các xung quang học và vi sóng. Trung tâm màu NV rất nhạy cảm với từ trường bên ngoài, thời gian kết hợp ở nhiệt độ phòng có thể đạt đến mức mili giây, không gian có thể đạt đến mức nanomet, khoảng cách giữa trung tâm NV và mẫu cần kiểm tra có thể nhỏ hơn 5 nanomet. Cảm biến lượng tử đơn trung tâm màu NV có thể nhận ra hình ảnh từ tính quét chính xác ở kích thước nano trên bề mặt mẫu, mang đến một phương pháp đo mới để nghiên cứu các tế bào sống đơn lẻ, protein, DNA cũng như các vật liệu và ứng dụng mới khác trong lĩnh vực khoa học đời sống. Công nghệ đo lường lượng tử trung tâm màu kim cương NV bước đầu đã hoàn thiện và các công ty khởi nghiệp đã tung ra các sản phẩm thương mại.

Các nguyên tử Rydberg chủ yếu được sử dụng để phát hiện điện trường tần số vô tuyến. Trạng thái lượng tử của nó rất nhạy cảm với trường điện bên ngoài, vì vậy nó có thể được sử dụng làm một ăng-ten thu tín hiệu tần số vô tuyến. Ăng-ten nguyên tử Rydberg được kỳ vọng sẽ dẫn đến những thay đổi đối với các sản phẩm công nghệ radar, thông tin liên lạc và định vị trong lĩnh vực thông tin và truyền thông.

Rối lượng tử về mặt lý thuyết có thể vượt qua giới hạn lượng tử tiêu chuẩn (SQL) và tiếp cận giới hạn Heisenberg. Sự vướng víu có giá trị ứng dụng trong các lĩnh vực phát hiện radar và đồng bộ hóa tần số thời gian. Các nhà khoa học đã đề xuất nhiều giao thức đồng bộ hóa thời gian lượng tử dựa trên các cặp photon vướng víu và đạt được độ chính xác đồng bộ hóa cấp độ pico giây trong các thí nghiệm. Gần đây, khái niệm về mạng cảm biến lượng tử đã được đề xuất, sử dụng rối lượng tử để kết nối nhiều cảm biến lượng tử để cải thiện hơn nữa hiệu suất đo lường. Tuy nhiên, rối lượng tử hiện không phải là trọng tâm nghiên cứu trong lĩnh vực đo lường lượng tử, do khó khăn về độ chính xác của phép đo lượng tử hiện tại vẫn chưa đạt đến giới hạn tiêu chuẩn; bên cạnh đó, các công nghệ tạo, điều chỉnh và phân phối vướng víu lượng tử khó đưa vào các ứng dụng.

Phát hiện photon đơn (single photon detection) chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực phát hiện và chụp ảnh mục tiêu. Phát hiện photon đơn được chia thành phát hiện mục tiêu cứng (các thực thể xa hàng trăm km, ba chiều, hình ảnh không nhìn thẳng, ví dụ như máy bay) và phát hiện mục tiêu mềm (như trường gió, sol khí, phân bố đám mây...). Các sản phẩm công nghệ phát hiện photon đơn đã tương đối hoàn thiện và đang được ứng dụng trong lĩnh vực môi trường, giao thông vận tải và khí tượng học.

Ứng dụng trong khoa học đời sống: được kỳ vọng sẽ thúc đẩy hơn nữa sự phát triển của công nghệ khoa học đời sống, giúp con người hiểu được các quá trình trao đổi chất sinh học, điều trị bệnh hiệu quả và nâng cao năng suất nông nghiệp. Cụ thể, nó có thể phát hiện và chụp ảnh tín hiệu sinh học ở kích thước nano, đồng thời giảm sự phụ thuộc vào môi trường và có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực chẩn đoán bệnh tim và não, phát hiện tế bào ung thư và chụp ảnh tế bào bằng kính hiển vi. Các phép đo lượng tử cho phép phân giải không gian ở cấp độ nano. Công nghệ chụp cộng hưởng từ hạt nhân NMR và cộng hưởng từ hạt nhân MRI truyền thống có thể tạo ra hình ảnh y tế của các mô và cơ quan mềm của cơ thể con người, nhưng chúng yêu cầu từ trường mạnh bên ngoài và sử dụng các chất tương phản, độ phân giải không gian chỉ ở mức hàng chục micron, không thể phân tích hình ảnh của các tế bào và phân tử. Hình ảnh cấp độ tế bào và cấp độ phân tử rất quan trọng đối với nghiên cứu y sinh, ví dụ như trong quá trình phát triển thuốc, cần nghiên cứu sự vận chuyển, phân phối và chuyển hóa các thành phần thuốc trong và giữa các tế bào, điều mà MRI và các công nghệ hiện tại khác không giải quyết được. Trung tâm màu kim cương NV có thể cung cấp độ phân giải không gian ở cấp độ nano, bằng cách kết hợp kính hiển vi quang học với chip trung tâm màu kim cương NV, có thể nhận ra hình ảnh từ trường của các tế bào sống.

Là chất xúc tác thúc đẩy quá trình nâng cấp công nghiệp: Trong kỷ nguyên Internet công nghiệp, các cảm biến là nguồn thông tin và dữ liệu, cũng như các đầu dây thần kinh của mạng, cung cấp khả năng nhận thức và hỗ trợ dữ liệu cho việc xây dựng hệ sinh thái Internet công nghiệp. Gần đây, ngày càng có nhiều công ty phát hành các sản phẩm đo lường lượng tử, tích cực khám phá các kịch bản ứng dụng trong các ngành như công nghiệp, năng lượng, khí tượng, địa chất và giao thông vận tải.

Công cụ ghi cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear magnetic resonance logging tool) là một phương pháp phát hiện hiệu quả để nhanh chóng khám phá các nguồn tài nguyên dầu khí dưới lòng đất. Các sản phẩm thương mại được sử dụng để đánh giá địa chất hình thành trong các mỏ dầu khí và quá trình khoan băng cháy, đánh giá chính xác độ bão hòa vỉa, độ xốp, độ thấm,…, nâng cao hiệu quả khoan và năng suất vỉa, định hướng khai thác các mỏ dầu khí. Ngoài ra, công nghệ liên lạc bề mặt lỗ khoan là một trong những vấn đề then chốt trong quá trình thăm dò dầu khí hiện nay. Các giải pháp truyền thống bị một số hạn chế nên khó đạt được liên lạc tốc độ cao và ổn định. Từ kế nguyên tử có ưu điểm là khả năng chịu nhiệt độ cao, kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp và độ nhạy phát hiện mạnh, có thể được sử dụng như một giải pháp thay thế để tiếp nhận liên lạc sóng điện từ trên mặt đất.

Máy biến áp điện từ truyền thống có những hạn chế như dải tần hẹp, có các vấn đề về nhiễu thiết bị, nhiệt độ,… khó đáp ứng yêu cầu phát triển của lưới điện thông minh. Máy biến dòng trung tâm màu NV có độ chính xác đo cao, hiệu suất cách điện tốt, độ ổn định và khả năng thích ứng mạnh, có triển vọng ứng dụng rộng rãi.

Radar lượng tử quang học giúp bảo vệ môi trường khí quyển và thực hiện giám sát khí thải công nghiệp theo thời gian thực. Việc sử dụng rộng rãi năng lượng than và việc xả thải của các nhà máy công nghiệp dẫn đến nhiều vấn đề về môi trường. Radar lượng tử quang học có ưu điểm là quét và định vị nhanh, tự động xác định nguồn gây ô nhiễm, truy xuất nguồn gốc chính xác và thời gian thực. Nó cung cấp một giải pháp mới để theo dõi và truy xuất nguồn gốc phát thải vật chất dạng hạt trong lĩnh vực bảo vệ môi trường thế hệ tiếp theo.

Từ kế lượng tử được sử dụng trong thử nghiệm công nghiệp để đạt được khả năng kiểm tra không phá hủy. Vị trí và kích thước của các “khuyết tật” trong vật liệu có thể được xác định và nhận dạng bằng từ tính không xâm lấn. Kiểm tra không phá hủy từ tính lượng tử có giá trị ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như hàng không và vật liệu, được kỳ vọng có ứng dụng thực tế trong tương lai gần. Trọng lượng kế lượng tử cung cấp dịch vụ khảo sát địa chất và cấu trúc ngầm, được sử dụng trong nghiên cứu địa chất, phát hiện núi lửa, lập bản đồ ngầm…. Từ đó có thể thấy, ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp sẽ thúc đẩy sự phát triển của công nghệ đo lường lượng tử, đồng thời đưa ra các yêu cầu cao hơn đối với cảm biến lượng tử.

Tích hợp đo lường lượng tử với các kỹ thuật khác: Cảm biến thông minh là một trong những hướng phát triển chính trong lĩnh vực đo lường và cảm biến. Thông minh hóa đề cập đến khả năng cảm nhận và thu thập các đại lượng vật lý bên ngoài; đồng thời phán đoán, phân tích và xử lý độc lập. Cảm biến thông minh phải có các chức năng thu thập, xử lý và phân tích, lưu trữ và truyền thông tin. Xu hướng phát triển thông minh hóa đo lường lượng tử, chủ yếu được phản ánh ở một số khía cạnh: Một là kết hợp với điện toán lượng tử để cải thiện hiệu suất đo lường; Thứ hai là đưa trí tuệ nhân tạo (AI) vào kiểm soát trạng thái lượng tử và xử lý dữ liệu để đạt được khả năng tự hiệu chỉnh và phân tích dữ liệu; Thứ ba là kết hợp với truyền thông lượng tử. Xu hướng thông minh hóa trong công nghệ đo lường lượng tử là xu hướng tất yếu. Thông minh hóa đo lường lượng tử vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và sẽ mất khoảng 10 năm hoặc thậm chí lâu hơn để có thể thương mại hóa.

Đo lường lượng tử cho mục đích thương mại: Một số công ty công nghệ đo lường truyền thống đang tích cực phát triển các sản phẩm đo lường lượng tử. Hãng công nghiệp Bosch đã thành lập bộ phận đo lường lượng tử để phát triển các sản phẩm như con quay hồi chuyển lượng tử gắn trên xe và máy ghi điện não đồ. Công ty công nghệ iXblue (Pháp) mua lại công ty đo lường lượng tử Muquans, để xây dựng năng lực công nghệ lượng tử. Gần đây, thị trường vốn đã dần chú ý nhiều hơn đến lĩnh vực đo lường lượng tử, nhiều công ty khởi nghiệp đã nhận được đầu tư từ chính phủ và khu vực tư nhân. Chuỗi giá trị công nghệ đo lường lượng tử bước đầu hình thành. Thượng nguồn cung cấp các vật liệu và linh kiện cơ bản cho thiết bị đo lượng tử, bao gồm các vật liệu có độ tinh khiết cao (chẳng hạn như nguyên tử kim loại kiềm, khí hiếm, kim cương,...), laser, máy dò, hệ thống kiểm soát môi trường (chẳng hạn như hệ thống đông lạnh, hệ thống che chắn từ tính, hệ thống chân không, hệ thống cách ly rung động,...), các thành phần liên quan đến lĩnh vực quang điện tử, xử lý nano…; hầu hết các công ty thượng nguồn đến từ Mỹ, Anh, Đức và Nhật Bản. Tầng giữa của chuỗi giá trị công nghiệp chủ yếu liên quan đến việc thiết kế, phát triển và sản xuất các đầu dò và cảm biến lượng tử, chẳng hạn như từ kế lượng tử, trọng lực kế, con quay hồi chuyển, radar lượng tử quang học và kính hiển vi kim cương; tham gia chủ yếu là các công ty công nghệ ở châu Âu, Mỹ và Trung Quốc. Hạ nguồn của chuỗi công nghiệp vẫn đang trong giai đoạn thăm dò. Người dùng chủ yếu là các viện nghiên cứu, trường đại học, đơn vị quốc phòng, cơ quan quốc gia (Cục địa chấn, Đài quan sát, Trung tâm dịch vụ thời gian, Bảo vệ môi trường, Giao thông vận tải, Địa chất,…), hàng không vũ trụ, thăm dò năng lượng, tổ chức y tế, sản xuất công nghiệp… Do chi phí cao của phép đo lượng tử, nhu cầu thương mại hóa tiêu dùng cá nhân vẫn chưa rõ ràng.

Triển vọng của CNTT lượng tử

Đầu tư R&D được quan tâm, kịnh bản ứng dụng mở rộng: CNTT lượng tử được kỳ vọng sẽ phá vỡ giới hạn của CNTT cổ điển, thúc đẩy công nghệ tương lai, là động lực để nâng cấp và phát triển chu kỳ công nghệ mới. CNTT lượng tử đã trở thành lĩnh vực nóng thu hút đầu tư cả về chính sách và vốn toàn cầu. Gần đây, nghiên cứu khoa học cơ bản và đổi mới công nghệ trong lĩnh vực CNTT lượng tử đã phát triển nhanh chóng. Xây dựng chuỗi cung ứng, tăng cường phát triển nguồn nhân lực đã trở thành điểm chung của các cường quốc trong phát triển ngành CNTT lượng tử.

Điện toán lượng tử hiện đang là tâm điểm của lĩnh vực CNTT lượng tử. R&D phần cứng nguyên mẫu, cải thiện hiệu suất tính toán là những quan tâm chính để khai phá tiềm năng của điện toán lượng tử. Các hướng công nghệ siêu dẫn và bẫy ion tiếp tục dẫn đầu; công nghệ bán dẫn silicon, lượng tử quang học và nguyên tử trung tính đang phát triển nhanh chóng, đồng thời cũng là những hướng cạnh tranh mạnh mẽ. Sau khi chứng minh tính ưu việt của điện toán lượng tử, bước quan trọng tiếp theo là cải thiện hơn nữa các chỉ số phần cứng vật lý và hiệu suất sửa lỗi thuật toán, đồng thời hiện thực hóa qubit logic dựa trên sửa lỗi lượng tử. Phần mềm và nền tảng đám mây đã trở thành một phần quan trọng trong xây dựng hệ sinh thái ứng dụng. Các công ty công nghệ lớn đang dẫn đầu về lĩnh vực này. Việc khám phá ứng dụng điện toán lượng tử dựa trên nền tảng NISQ được thực hiện rộng rãi trong các ngành như tài chính, dược phẩm, hóa chất và vận tải. Dòng vốn đầu tư đa dạng một mặt hỗ trợ mạnh mẽ cho sự phát triển CNTT lượng tử, tuy nhiên nó cũng gây ra tranh cãi về bong bóng công nghiệp. Là một công nghệ mới nổi, nhiều quốc gia trên thế giới đã tập trung nguồn lực để phát triển lĩnh, nhưng hiện tại vấn đề ứng dụng vẫn đang trong giai đoạn thăm dò ban đầu.

Trong lĩnh vực truyền thông lượng tử, công nghệ truyền thông an toàn lượng tử dựa trên QKD, QRNG, QSDC đã bước đầu đưa vào ứng dụng thực tế. Xây dựng mạng thông tin lượng tử dựa trên các công nghệ then chốt như dịch chuyển tức thời lượng tử,… sẽ là hướng đi trong tương lai. Nguyên mẫu và các thí nghiệm bắt đầu xuất hiện, nhưng rất khó để triển khai thực tế trong thời gian ngắn. Truyền thông lượng tử không gian đã trở thành một hướng quan trọng trong nghiên cứu khoa học và phát triển ứng dụng. Vệ tinh “Mạc tử” của Trung Quốc đã ở trên quỹ đạo được 6 năm và đã đặt nền tảng cho việc khám phá khoa học lượng tử không gian trong tương lai.

Trong lĩnh vực đo lường lượng tử, các giải pháp kỹ thuật như nguyên tử lạnh, hơi nguyên tử nhiệt, trung tâm màu NV, nguyên tử Rydberg, rối lượng tử và photon đơn đang được phát triển song song. Các loại sản phẩm khác nhau như đồng hồ nguyên tử, trọng lượng kế, từ kế và radar lượng tử quang học đã dần được đưa vào ứng dụng thương mại. Công nghệ đo lường lượng tử được đại diện bởi phát hiện từ trường yếu sẽ kỳ vọng thúc đẩy các lĩnh vực nghiên cứu khoa học đời sống như chẩn đoán bệnh tim và não, phát hiện tế bào ung thư và chụp ảnh tế bào bằng kính hiển vi. Phép đo lượng tử được sử dụng trong phát hiện tín hiệu điện từ yếu, đo lực hấp dẫn tuyệt đối, nhận dạng mục tiêu mềm và cứng,… sẽ được ứng dụng trong quốc phòng, công nghiệp, địa chất và bảo vệ môi trường, trở thành chất xúc tác để tăng tốc nâng cấp công nghiệp. Gần đây, với sự phát triển của các sản phẩm công nghệ đo lường lượng tử và kịch bản ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, chuỗi giá trị công nghiệp đã dần trở nên rõ ràng. Trong tương lai, việc ứng dụng các sản phẩm công nghệ đo lường lượng tử trong các lĩnh vực như quốc phòng, hàng không vũ trụ, chăm sóc y tế được kỳ vọng sẽ là những ngành đầu tiên đạt được bước đột phá.

CNTT lượng tử thúc đẩy chu kỳ đổi mới công nghệ: Sự phát triển của CNTT lượng tử xuất phát từ nhu cầu muốn vượt qua giới hạn của năng lực CNTT cổ điển, cải thiện năng suất lao động của xã hội loài người và kỳ vọng là chìa khóa cho vòng đổi mới công nghệ tiếp theo. Sau hơn 40 năm phát triển, CNTT lượng tử đã trở thành ngành khoa học hấp dẫn trên toàn cầu. Giải Nobel Vật lý năm 2022 trao cho Alain Aspect, John F. Clausr và Anton Zeilinger, để ghi nhận các thí nghiệm tiên phong của họ sử dụng các trạng thái vướng víu lượng tử, đặt nền móng cho sự phát triển của các công nghệ mới dựa trên thông tin lượng tử. Giải thưởng “Vật lý Cơ bản Đột phá Khoa học năm 2022” được trao cho Hidetoshi Katori và Jun Ye vì đã cải thiện độ chính xác của phép đo thời gian theo ba bậc độ lớn. Giải thưởng “Đột phá Khoa học về Vật lý Cơ bản năm 2023” được trao cho Charles H. Bennett, Gilles Brassard, David Deutsch và Peter Shor vì công trình đột phá của họ về thông tin lượng tử.

Sự phát triển của CNTT lượng tử thúc đẩy đổi mới công nghiệp, là động lực để phát triển xã hội thông tin và kinh tế số, là một trong những yếu tố quan trọng để xây dựng khả năng cạnh tranh công nghiệp trong tương lai và duy trì chủ quyền công nghệ. Trong lộ trình phát triển ngành CNTT lượng tử toàn cầu, Mỹ vẫn chiếm vị trí thống trị, thể hiện ở việc xây dựng chiến lược quốc gia, đầu tư tài chính và huy động sự tham gia rộng rãi trong xã hội. Bên cạnh đó, Trung Quốc cũng cho thấy sự phát triển vượt bậc của mình trong lĩnh vực truyền thông lượng tử. "Kế hoạch 5 năm lần thứ 14" (giai đoạn 2021-2025) của Trung Quốc rất coi trọng phát triển CNTT lượng tử và phát triển ngành công nghiệp liên quan, thể hiện ở việc xây dựng các phòng thí nghiệm quốc gia, các dự án khoa học và công nghệ lớn và hỗ trợ cho nghiên cứu khoa học.