Kịch bản mơ ước về điện toán lượng tử, khi khái niệm này lần đầu tiên được đề xuất vào những năm 1980, là phát triển một hệ thống dựa trên các nguyên lý của cơ học lượng tử, mà đối với một số vấn đề nhất định, có thể cho phép tính toán nhanh hơn nhiều so với máy tính thông thường. Giờ đây, khi công nghệ bắt đầu chuyển từ lý thuyết sang thực tiễn, sự thiếu hụt nhân tài sẵn có hiện ra như một yếu tố tiềm ẩn cản trở sự phát triển của công nghệ.

William D. Oliver, một giáo sư vật lý thực hành, phó giám đốc Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Điện tử và Thành viên Phòng thí nghiệm Lincoln, lo ngại về tình trạng thiếu nhân tài tính toán lượng tử hiện nay. Oliver là nhà nghiên cứu chính trong Nhóm Hệ thống Lượng tử Kỹ thuật tại MIT và trong Nhóm Hệ thống nano Tích hợp và Thông tin Lượng tử tại Phòng thí nghiệm MIT Lincoln.

Q: Điều gì thúc đẩy nhu cầu cao về nhân tài trong lĩnh vực điện toán lượng tử?

A: Điện toán lượng tử đang chuyển đổi từ lý thuyết sang thực tiễn và ngày càng có nhiều chương trình của chính phủ hỗ trợ xử lý thông tin lượng tử: EU có quốc gia dẫn đầu, Trung Quốc có nỗ lực đáng kể, Anh, Úc, Singapore, Canada, Thụy Điển, Phần Lan và nhiều hơn nữa. Quốc hội Hoa Kỳ gần đây đã thông qua Sáng kiến ​​Lượng tử Quốc gia, cho phép đầu tư hơn 1.2 tỷ USD vào khoa học và công nghệ lượng tử trong vòng 10 đến XNUMX năm tới. Với tất cả những sáng kiến ​​này, số lượng vị trí trong học viện, chính phủ và ngành công nghiệp sẽ tăng lên đáng kể. Đó chắc chắn là thị trường của nhân viên ngay bây giờ.

Các công ty cũng đang nhảy vào cuộc. Nếu bạn là một tập đoàn phần cứng hoặc phần mềm blue-chip và muốn cạnh tranh trong lĩnh vực điện toán lượng tử trong tương lai, thì bạn phải tham gia cuộc chơi ngay bây giờ. Chẳng hạn, không có gì ngạc nhiên khi Intel ngày nay là công ty dẫn đầu trong lĩnh vực sản xuất chip máy tính điện tử, bởi vì Intel và những nhân viên đầu tiên của họ đã ở đó ngay từ đầu. Lượng tử không phải là loại công nghệ có thể được sao chép một cách đơn giản; nó khác nhau. Ngay cả khi bạn không phải là một công ty “công nghệ thuần túy”, bạn vẫn có thể có một mô hình kinh doanh phụ thuộc vào một số lĩnh vực mà lượng tử sẽ tác động, chẳng hạn như các vấn đề tối ưu hóa. Nhiều công ty cũng có dữ liệu được mã hóa mà họ cần giữ an toàn. Mối quan tâm không chỉ là làm thế nào các công ty sẽ giữ an toàn cho dữ liệu của họ trong tương lai với máy tính lượng tử, mà là làm thế nào dữ liệu họ mã hóa ngày nay sẽ được bảo mật trong nhiều thập kỷ tới.

Q: Ngày nay tài năng điện toán lượng tử đang được phát triển như thế nào?

A: Hầu hết những người mà chúng ta gọi là các nhà khoa học và kỹ sư lượng tử về cơ bản đều là những người làm nghề đa năng đã được đào tạo thành nhà vật lý hoặc kỹ sư. Nhưng đến một lúc nào đó, họ quan tâm đến lượng tử và về cơ bản, các kỹ sư đã học một số kiến ​​thức vật lý và các nhà vật lý học một số kiến ​​thức kỹ thuật. Trước khi một công nghệ mới trở thành xu hướng chủ đạo, bạn không nhất thiết phải có các môn học hướng tới công nghệ cụ thể đó. Đó là nơi chúng ta đang ở với lượng tử.

Tại MIT, chúng tôi đang nỗ lực giải quyết câu hỏi này: Làm cách nào để xác định kỹ thuật lượng tử là gì? Theo tôi, kỹ thuật lượng tử là cầu nối giữa khoa học và kỹ thuật. Chúng tôi muốn đảm bảo rằng MIT đồng nghĩa với kỹ thuật lượng tử. Chúng ta cần viết sách giáo khoa, phát triển nền tảng và chương trình giảng dạy. Về mặt cung cấp nhân tài của lượng tử, chúng tôi đang đào tạo ngày càng nhiều người. Cuối cùng chúng ta có thể cần phải xác định một ngành học thuật mới. Nó có thể sẽ bắt đầu ở cấp độ sau đại học và với các khóa học phát triển chuyên môn, chẳng hạn như Dòng MIT xPRO Tôi đang đồng giảng dạy. Chúng ta cũng có thể sẽ thấy sự xuất hiện dần dần của các khóa học hướng tới kỹ thuật lượng tử trong chương trình giảng dạy đại học.

Q: Tác động của sự thiếu hụt nhân tài là gì?

A: Giống như nhiều công nghệ tiên tiến, có mặt tốt và có mặt xấu, nhưng với lượng tử nói riêng, có cả những cơ hội to lớn và một số mối lo ngại nghiêm trọng về an ninh quốc gia. Chúng ta cần những nhân sự được đào tạo bài bản để tham gia vào cả sự nghiệp trong chính phủ và ngành công nghiệp. Cạnh tranh về nhân tài giữa chính phủ và các công ty đương nhiên dẫn đến mức lương cao hơn cho những người có kiến ​​thức về lượng tử.

Có thể làm gì để thu hẹp khoảng cách tài năng? MIT xPRO đang giải quyết một thực tế rằng sinh viên trong khuôn viên trường không phải là những người duy nhất quan tâm đến việc tìm hiểu về thông tin lượng tử. Chúng ta cần đào tạo các kỹ sư và nhà vật lý đã tham gia lực lượng lao động và phải chuyển hướng. Ngày nay có một nguồn nhân tài khổng lồ trong ngành công nghiệp và chính phủ. Khi các công ty thâm nhập vào những lĩnh vực mới này, họ sẽ chuyển đổi nhân sự. Sự chuyển hướng tương tự đang diễn ra trong chính phủ Hoa Kỳ và trong các phòng thí nghiệm do chính phủ tài trợ, như chúng tôi đã làm tại Phòng thí nghiệm Lincoln. Trọng tâm của MIT xPRO là giúp mọi người thực hiện bước chuyển hướng đó và cung cấp nền tảng đầy đủ để họ có thể tự học.

Q: Bạn nhìn nhận lời hứa của điện toán lượng tử như thế nào?

A: Lời hứa về lượng tử có thể được chia thành ba lĩnh vực cơ bản. Chén thánh là một máy tính lượng tử phổ quát, một máy tính có thể chạy bất kỳ thuật toán nào giống như máy tính ngày nay có thể chạy bất kỳ thuật toán nào. Điều này đòi hỏi một bộ cổng lượng tử phổ quát có thể thực hiện logic lượng tử tùy ý. Và có một số ứng dụng cụ thể trong đó máy tính lượng tử có thể hoạt động tốt hơn rất nhiều so với máy tính cổ điển. Chén thánh này sẽ phải mất ít nhất 10-20 năm mới hiện thực hóa được. Đó là loại máy tính có thể thực hiện phân tích mật mã, chẳng hạn như phá RSA và thực hiện các mô phỏng rất phức tạp.

Loại máy tính thứ hai là máy mô phỏng lượng tử. Ví dụ, những gì nó làm là mô phỏng các đặc tính vật liệu cần tính toán chuyên sâu hoặc tốc độ phản ứng hóa học. Có một số ứng dụng quan trọng mà chúng ta không thể có được câu trả lời tốt bằng cách sử dụng máy tính cổ điển ngày nay. Tất nhiên, chúng ta đơn giản hóa các vấn đề đến mức mà máy tính cổ điển có thể xử lý được, nhưng sau đó câu trả lời trở nên mờ nhạt. Một ví dụ điển hình là quá trình cố định đạm, một quá trình được sử dụng để tạo ra amoniac. Amoniac được sử dụng trong phân bón và ước tính khoảng 1 đến 2% tổng năng lượng sử dụng trên toàn thế giới được dùng để sản xuất amoniac. Nhưng chúng ta biết rằng vi khuẩn có thể làm được điều đó nhờ những gì mà quá trình trao đổi chất mang lại cho chúng, đó chắc chắn không phải là nhiệt độ cao hay áp suất cao. Nhưng enzyme xúc tác quá trình cố định nitơ lớn đến mức không thể mô phỏng chính xác nó trên máy tính cổ điển. Nếu chúng ta có thể chế tạo một máy tính lượng tử đủ lớn để thực hiện mô phỏng này, thu được tốc độ phản ứng của phân tử đó và hiểu vi khuẩn có thể làm được điều đó như thế nào, thì có lẽ chúng ta có thể phát triển một quy trình công nghiệp tiết kiệm năng lượng hơn nhiều.

Một ví dụ khác là tối ưu hóa. Các vấn đề tối ưu hóa có thể được thực hiện bằng cách sử dụng máy tính lượng tử phổ quát, trình mô phỏng lượng tử hoặc máy ủ lượng tử. Ủ lượng tử là một loại máy tính lượng tử khác và liệu nó có thể đạt được lợi thế lượng tử hay không vẫn chưa được biết. Không giống như hai loại đầu tiên, máy ủ lượng tử có thể chỉ là một máy tính cổ điển nhanh hơn. Phát triển trình tối ưu hóa lượng tử ủ hoặc trình tối ưu hóa lượng tử dựa trên trình mô phỏng là những ứng dụng thuật ngữ gần nhất mà chúng ta sẽ thấy. Hy vọng là chúng ta có thể giải quyết những loại vấn đề đó trên máy tính lượng tử mà chúng ta sẽ có trong 5 năm tới.

Q: Những thách thức để phát triển tài năng cần thiết là gì?

A: Để lượng tử thành công và cuối cùng dẫn đến cuộc cách mạng xử lý thông tin thứ hai, chúng ta cần thương mại hóa để bắt đầu. Chỉ riêng Chính phủ Hoa Kỳ sẽ không thể tài trợ cho việc này ở mức cần thiết để thương mại hóa công nghệ này trong thời gian dài. Chính phủ có vai trò quan trọng trong việc thực hiện công việc này, nhưng sau đó ngành công nghiệp phải tiếp tục, thương mại hóa nó, tạo doanh thu và sử dụng doanh thu đó để phát triển sản phẩm tốt hơn vào năm tới. Và để điều này xảy ra, chúng ta cần đào tạo các kỹ sư lượng tử của tương lai.