Công nghệ lượng tử đang mở ra một hướng phát triển mới cho ngành điện toán, viễn thông và đo lường chính xác. Những tiến bộ gần đây trong sửa lỗi máy tính lượng tử, truyền thông bảo mật và cảm biến siêu nhạy cho thấy lĩnh vực này đang dần tiến từ nghiên cứu cơ bản sang những ứng dụng có giá trị thực tiễn. Tuy nhiên, mức độ phát triển giữa các công nghệ rất khác nhau: một số đã được sử dụng rộng rãi, trong khi máy tính lượng tử đa dụng vẫn cần vượt qua nhiều thách thức kỹ thuật.
Theo Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD), các công nghệ lượng tử có thể góp phần thúc đẩy những đột phá trong phát triển thuốc, vật liệu mới, năng lượng, y tế và an ninh thông tin. Dù vậy, phần lớn ứng dụng vẫn chưa được thương mại hóa trên quy mô lớn.
Ba hướng phát triển chính của công nghệ lượng tử
Cơ học lượng tử mô tả cách vật chất và năng lượng vận hành ở cấp độ nguyên tử, electron và photon. Khác với thế giới vĩ mô quen thuộc, các hệ lượng tử có những đặc tính như chồng chập (quantum superposition) và vướng víu lượng tử (quantum entanglement), có thể được khai thác để thực hiện những nhiệm vụ mà công nghệ truyền thống khó đạt được.
Ba nhánh chính của công nghệ lượng tử hiện nay gồm máy tính lượng tử, truyền thông lượng tử và cảm biến lượng tử. Chúng có mục tiêu khác nhau nhưng cùng khai thác các đặc tính của thế giới vi mô để nâng cao năng lực xử lý, truyền tải hoặc đo lường thông tin.
Trong đó, máy tính lượng tử sử dụng bit lượng tử, gọi là qubit, thay cho bit thông thường. Qubit có thể tồn tại trong trạng thái chồng chập của 0 và 1, còn hiện tượng vướng víu cho phép các qubit tạo ra những tương quan lượng tử đặc biệt. Nếu được kiểm soát đủ tốt, những đặc tính này giúp máy tính lượng tử giải quyết hiệu quả một số bài toán chuyên biệt.
Truyền thông lượng tử khai thác các trạng thái lượng tử để phân phối khóa mã hóa hoặc kết nối những hệ thống lượng tử. Cảm biến lượng tử tận dụng các đặc tính của nguyên tử, photon và những hệ lượng tử khác để đo thời gian, từ trường, trọng lực hay những biến đổi vật lý rất nhỏ.
Theo báo cáo tổng quan của OECD về công nghệ lượng tử, ba nhánh này đều có tiềm năng kinh tế đáng kể, nhưng cảm biến lượng tử hiện có mức độ trưởng thành cao hơn máy tính lượng tử.
Máy tính lượng tử chưa thể thay thế máy tính hiện nay
Một trong những trở ngại lớn nhất của máy tính lượng tử là qubit rất nhạy với tác động từ môi trường. Nhiễu và sai lệch trong quá trình tính toán có thể làm mất thông tin lượng tử, khiến kết quả không đáng tin cậy. Vì vậy, tăng số lượng qubit chưa đủ để tạo ra một máy tính mạnh và hữu ích; các nhà nghiên cứu còn phải tìm cách phát hiện, sửa lỗi và duy trì trạng thái lượng tử trong suốt quá trình tính toán.
Tháng 12-2024, Google giới thiệu chip lượng tử Willow với 105 qubit. Công ty cho biết chip này đạt một cột mốc quan trọng trong sửa lỗi lượng tử: khi tăng kích thước hệ thống qubit mã hóa từ lưới 3 x 3 lên 5 x 5 rồi 7 x 7, tỷ lệ lỗi của qubit logic giảm theo cấp số nhân. Đây là bước tiến quan trọng vì máy tính lượng tử thực tiễn cần những qubit logic có khả năng chống lỗi tốt hơn các qubit vật lý cấu thành chúng.
Google cũng cho biết Willow hoàn thành một phép thử chuẩn trong chưa đầy năm phút, trong khi ước tính một siêu máy tính hàng đầu cần thời gian dài hơn rất nhiều để thực hiện cùng phép tính. Tuy nhiên, phép thử này chủ yếu đánh giá năng lực tính toán lượng tử chứ chưa chứng minh lợi thế thương mại trong một ứng dụng thông thường.
Đến tháng 10-2025, Google công bố một kết quả khác với thuật toán Quantum Echoes, cho biết hệ thống đạt lợi thế lượng tử có thể kiểm chứng trong một bài toán nghiên cứu động lực học của các hệ lượng tử. Kết quả này đáng chú ý vì hướng đến việc khai thác thông tin khoa học từ những hệ thống phức tạp, thay vì chỉ thực hiện một phép thử chuẩn.
Trong khi đó, ngày 30-7-2026, IBM và Đại học Chicago công bố một thí nghiệm sử dụng 70 qubit logic để giải một bài toán mà nhóm nghiên cứu cho biết vượt ngoài khả năng mô phỏng thực tế của các phương pháp điện toán cổ điển hàng đầu. Phép tính hoàn thành trong khoảng 15 phút. Đây là kết quả do nhóm nghiên cứu công bố, chưa đồng nghĩa máy tính lượng tử đã vượt trội máy tính truyền thống trong các công việc thương mại phổ biến.
Trong tương lai gần, một hướng ứng dụng đáng chú ý là mô phỏng phân tử và vật liệu. Do bản thân nguyên tử và phân tử tuân theo cơ học lượng tử, máy tính lượng tử về nguyên tắc có thể mô phỏng một số đặc tính hóa học mà máy tính thông thường rất khó tính toán chính xác khi hệ thống trở nên phức tạp.
Những nghiên cứu này có thể hỗ trợ phát triển chất xúc tác, pin, vật liệu bán dẫn và thuốc mới. Các lĩnh vực tối ưu hóa và tài chính cũng được quan tâm, nhưng lợi ích thực tế vẫn cần được chứng minh bằng những so sánh công bằng với thuật toán cổ điển tốt nhất.
Vì thế, trong vài năm tới, máy tính lượng tử nhiều khả năng tiếp tục đóng vai trò công cụ nghiên cứu chuyên biệt, kết hợp với siêu máy tính truyền thống, thay vì thay thế máy tính cá nhân hay trung tâm dữ liệu hiện nay.
Cảm biến lượng tử: Hướng ứng dụng gần với thực tế hơn
Nếu máy tính lượng tử vẫn cần giải quyết nhiều vấn đề về quy mô và độ tin cậy, cảm biến lượng tử đã có những ứng dụng cụ thể và triển vọng triển khai gần hơn.
Công nghệ này sử dụng các đặc tính lượng tử của nguyên tử, spin electron hoặc photon để đo những thay đổi rất nhỏ trong môi trường. Tùy thiết kế, cảm biến có thể đo từ trường, gia tốc, thời gian hoặc biến thiên trọng lực với độ nhạy và độ chính xác cao.
Một ví dụ quen thuộc là đồng hồ nguyên tử, vốn đã được sử dụng trong hệ thống định vị vệ tinh, viễn thông và đồng bộ thời gian. Đây là công nghệ dựa trên những chuyển đổi năng lượng xác định của nguyên tử, cho phép tạo ra chuẩn thời gian rất ổn định.
Thế hệ cảm biến lượng tử mới đang hướng đến những ứng dụng khó hơn. Trong y tế, các cảm biến từ trường có độ nhạy cao có thể hỗ trợ đo hoạt động sinh học và nghiên cứu các phương pháp chẩn đoán hình ảnh. Trong địa chất, thiết bị đo trọng lực lượng tử có thể giúp phát hiện cấu trúc dưới lòng đất, xác định tầng chứa nước ngầm hoặc khảo sát tài nguyên mà không cần đào khoan trên diện rộng ngay từ đầu.
NASA đang nghiên cứu thiết bị đo chênh lệch trọng lực sử dụng các đám mây nguyên tử rubidi siêu lạnh. Mục tiêu là phát hiện những biến đổi nhỏ trong trường trọng lực của Trái Đất, từ đó hỗ trợ lập bản đồ các tầng chứa nước, cấu trúc địa chất và nguồn tài nguyên dưới bề mặt. Theo NASA, đây là một hướng nghiên cứu nhằm đưa cảm biến trọng lực lượng tử lên không gian.
Cảm biến lượng tử cũng có tiềm năng cải thiện khả năng định vị trong môi trường không có tín hiệu GPS, chẳng hạn dưới lòng đất, dưới biển hoặc trong một số hoạt động hàng không và quốc phòng. Các hệ thống đo gia tốc, quay và từ trường có thể giúp thiết bị xác định chuyển động và vị trí mà ít phụ thuộc vào tín hiệu định vị bên ngoài.
Tuy nhiên, độ nhạy trong phòng thí nghiệm không tự động chuyển thành thiết bị sử dụng thuận tiện ngoài thực địa. Nhiều hệ thống vẫn cần kiểm soát nhiệt độ, cách ly rung động, kích thước nhỏ gọn hơn và chi phí sản xuất thấp hơn. Dù vậy, xét về khả năng tạo ra sản phẩm trong tương lai gần, cảm biến lượng tử là một trong những nhánh đáng theo dõi nhất.
Truyền thông lượng tử và cuộc chuyển đổi bảo mật
Truyền thông lượng tử tập trung vào việc sử dụng các trạng thái lượng tử để phân phối thông tin và xây dựng mạng kết nối những thiết bị lượng tử. Một ứng dụng được quan tâm là phân phối khóa lượng tử (Quantum Key Distribution – QKD), phương pháp cho phép hai bên tạo khóa mã hóa chung dựa trên các trạng thái lượng tử.
Về nguyên tắc, việc đo một trạng thái lượng tử có thể làm thay đổi trạng thái đó, giúp các bên phát hiện một số hình thức can thiệp vào quá trình phân phối khóa. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa mọi hệ thống sử dụng QKD đều tuyệt đối an toàn: thiết bị, phần mềm, giao thức và cách triển khai vẫn có thể tạo ra lỗ hổng.
Trong tương lai, các mạng lượng tử có thể kết nối những máy tính lượng tử hoặc cảm biến lượng tử ở các địa điểm khác nhau, phục vụ nghiên cứu khoa học và đo lường phân tán. Nhưng một mạng lượng tử quy mô lớn, ổn định và dễ sử dụng vẫn đòi hỏi nhiều tiến bộ về truyền tải trạng thái lượng tử, bộ nhớ lượng tử và thiết bị trung chuyển.
Một tác động đã hiện hữu rõ hơn là nhu cầu chuẩn bị cho nguy cơ máy tính lượng tử phá vỡ một số phương pháp mã hóa đang được sử dụng trên internet. Nếu máy tính lượng tử đủ mạnh xuất hiện, những thuật toán dựa trên độ khó của một số bài toán toán học có thể bị đe dọa.
Để ứng phó, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST) đã hoàn thiện ba tiêu chuẩn mật mã hậu lượng tử đầu tiên vào tháng 8-2024. Đây là những thuật toán chạy trên máy tính thông thường, được thiết kế để chống lại các cuộc tấn công từ cả máy tính cổ điển lẫn máy tính lượng tử. Do đó, mật mã hậu lượng tử không đồng nghĩa với truyền thông lượng tử: đây là hai hướng công nghệ khác nhau, dù cùng liên quan đến an ninh trong kỷ nguyên lượng tử.
Việc chuyển đổi hệ thống mã hóa có thể mất nhiều năm vì tổ chức cần kiểm kê phần mềm, thiết bị và giao thức đang sử dụng. Vì thế, đây là một trong những lĩnh vực có nhu cầu triển khai thực tế ngay từ hiện tại.
Cuộc đua toàn cầu và bài toán nhân lực

Mỹ, Trung Quốc, Liên minh châu Âu, Pháp, Nhật Bản và nhiều nền kinh tế khác đang đầu tư mạnh vào nghiên cứu lượng tử. Theo báo cáo của OECD công bố tháng 12-2025, các chính phủ trên thế giới đã cam kết khoảng 55,7 tỉ đô la cho khoa học và công nghệ lượng tử kể từ năm 2013, cho thấy đây không chỉ là một hướng nghiên cứu hàn lâm mà còn là lĩnh vực có ý nghĩa chiến lược.

Dẫu vậy, quy mô đầu tư không đồng nghĩa các ứng dụng sẽ xuất hiện ngay lập tức. Máy tính lượng tử cần những bước tiến lớn về sửa lỗi và khả năng mở rộng; cảm biến phải được thương mại hóa với chi phí hợp lý; còn mạng lượng tử cần tiêu chuẩn và hạ tầng tương thích.
Thách thức lớn khác là nguồn nhân lực. Lĩnh vực này đòi hỏi sự kết hợp giữa vật lý, toán học, khoa học máy tính, kỹ thuật điện tử, vật liệu và năng lực phát triển sản phẩm. Các nhà khoa học có thể tạo ra một nguyên lý mới, nhưng để biến nguyên lý đó thành thiết bị hoặc dịch vụ thương mại còn cần kỹ sư, doanh nghiệp và người hiểu nhu cầu của thị trường.
Đây cũng là lý do các chương trình hợp tác quốc tế và đào tạo nhân lực có ý nghĩa quan trọng đối với những quốc gia đang xây dựng năng lực lượng tử. Một quốc gia đang phát triển không nhất thiết phải bắt đầu bằng mục tiêu chế tạo một máy tính lượng tử quy mô lớn. Những hướng đi thực tế hơn có thể gồm đào tạo chuyên gia, tham gia các nhóm nghiên cứu quốc tế, phát triển thuật toán, thử nghiệm cảm biến, nghiên cứu vật liệu và chuẩn bị hạ tầng an ninh mạng cho kỷ nguyên hậu lượng tử.
Công nghệ lượng tử chưa phải lời giải cho mọi bài toán tính toán hay đo lường. Nhưng những tiến bộ hiện nay cho thấy lĩnh vực này đang dần tạo ra các công cụ mới, từ cảm biến có độ chính xác cao đến những hệ thống tính toán chuyên biệt. Cơ hội trong vài năm tới sẽ phụ thuộc không chỉ vào đột phá khoa học, mà còn vào khả năng chuyển kết quả nghiên cứu thành sản phẩm đáng tin cậy, có chi phí phù hợp và giải quyết được nhu cầu thực tế.

Ảnh minh họa mô hình máy tính lượng tử. Ảnh: Innovation News Network

IonQ, nền tảng điện toán lượng tử toàn diện hàng đầu thế giới, cùng Đại học Cambridge vừa khai trương Trung tâm Đổi mới Lượng tử IonQ đầu tiên đặt tại một trường đại học. Trung tâm tọa lạc tại Ray Dolby Centre, trụ sở mới của Phòng thí nghiệm Cavendish thuộc Đại học Cambridge. Ảnh: Quantum Insider

Tài liệu tham khảo
https://science.nasa.gov/directorates/smd/earth-science-division/earth-science-technology-office/nasa-aims-to-fly-first-quantum-sensor-for-gravity-measurements/
https://blog.google/innovation-and-ai/technology/research/google-willow-quantum-chip/
https://www.nist.gov/quantum-information-science/quantum-sensing-explained
https://www.oecd.org/en/publications/quantum-technologies-as-a-new-paradigm-for-digital-economies-and-societies
https://www.nist.gov/pml/productsservices/quantum-networks-nist/applications-quantum-networks