Tính toán lượng tử là gì?

Trong vài thập kỷ gần đây, tính toán lượng tử đã chuyển hóa từ một lĩnh vực nghiên cứu thuần túy lý thuyết thành một ngành công nghệ đang được đầu tư và phát triển mạnh mẽ trên phạm vi toàn cầu. Thay vì xử lý thông tin theo các bit nhị phân truyền thống chỉ nhận một trong hai trạng thái 0 hoặc 1, máy tính lượng tử vận hành trên qubit - đơn vị thông tin có thể tồn tại ở trạng thái chồng chất, khai thác các hiện tượng vướng víu và giao thoa lượng tử để thực hiện các phép tính theo cách mà hệ thống cổ điển không thể tái hiện. Đây không đơn thuần là sự gia tăng về tốc độ xử lý, mà là một sự mở rộng về bản chất của tính toán.

Những ưu thế đó mang lại tiềm năng ứng dụng đáng kể trong nhiều lĩnh vực: mô phỏng các hệ phân tử phức tạp phục vụ nghiên cứu vật liệu và dược phẩm; phát triển các thuật toán tối ưu hóa quy mô lớn; xây dựng các hệ thống mật mã và bảo mật thế hệ mới; và hỗ trợ các mô hình học máy có độ phức tạp vượt ra ngoài khả năng của kiến trúc tính toán hiện tại. Nhiều tổ chức nghiên cứu, tập đoàn công nghệ và chính phủ trên thế giới đã và đang đầu tư đáng kể vào lĩnh vực này, trong khi nhu cầu về nhân lực có chuyên môn sâu vẫn còn rất lớn so với nguồn cung hiện tại.

Tính toán lượng tử là một lĩnh vực liên ngành theo đúng nghĩa của từ này. Nó đòi hỏi sự kết hợp giữa nền tảng vật lý lý thuyết, tư duy toán học chặt chẽ, kỹ năng lập trình và khả năng tiếp cận các vấn đề kỹ thuật thực tiễn. Chính vì vậy, chương trình đào tạo cần được xây dựng từ nhiều nguồn tri thức, trong đó vật lý học đóng vai trò là nền tảng không thể thiếu.

Vật lý học - Nền tảng tri thức cho tính toán lượng tử

Tính toán lượng tử bắt nguồn trực tiếp từ cơ học lượng tử - một lý thuyết vật lý được xây dựng để mô tả hành vi của vật chất và năng lượng ở thang vi mô. Các nguyên lý cốt lõi tạo nên sức mạnh của máy tính lượng tử, từ nguyên lý chồng chập trạng thái, hiện tượng vướng víu lượng tử, cho đến cơ chế hoạt động của các phần cứng lượng tử như qubit siêu dẫn, bẫy ion hay điểm lượng tử, đều có nguồn gốc từ vật lý lý thuyết và vật lý chất rắn. Muốn thiết kế thuật toán lượng tử hiệu quả, phân tích lỗi lượng tử, hay phát triển các phương pháp mô phỏng hệ lượng tử, người làm chuyên môn cần có khả năng đọc hiểu và vận dụng các nguyên lý vật lý một cách thành thạo.

Điều này không có nghĩa là vật lý học là con đường duy nhất dẫn đến tính toán lượng tử. Toán học, khoa học máy tính và kỹ thuật điện tử đều đóng góp những tri thức quan trọng và không thể thay thế cho lĩnh vực này. Tuy nhiên, đối với những ai mong muốn hiểu sâu bản chất vật lý của hệ lượng tử, có khả năng tiếp cận các bài toán từ góc độ nguyên lý cơ bản, và đóng góp vào cả nghiên cứu lẫn triển khai ứng dụng, thì một nền đào tạo xuất phát từ vật lý học là một lựa chọn phù hợp và có chiều sâu.

Lộ trình học tập - Từ nền tảng đến chuyên sâu

Chương trình đào tạo ngành Vật lý học, chuyên ngành Tính toán lượng tử, khóa tuyển 2025 được thiết kế theo lộ trình phát triển kiến thức có hệ thống, từ nền tảng đại cương đến chuyên sâu, với tổng cộng 134 tín chỉ tích lũy khi tốt nghiệp.

Trong giai đoạn đầu, sinh viên được trang bị nền tảng toán học và khoa học tự nhiên vững chắc thông qua các học phần Vi tích phân, Đại số tuyến tính, Xác suất thống kê, cùng hệ thống các môn Vật lý đại cương từ cơ học, nhiệt học, điện từ, quang học cho đến vật lý hiện đại bao gồm các kiến thức về lượng tử, nguyên tử và hạt nhân. Các học phần thực hành vật lý đại cương và giới thiệu ngành được tích hợp ngay từ những học kỳ đầu tiên, giúp sinh viên hình thành tư duy thực nghiệm song hành với lý thuyết.

Bước sang khối kiến thức cơ sở ngành với 25 tín chỉ, sinh viên tiếp tục đào sâu với các học phần Hàm phức, Các phương pháp toán lý, Cơ lý thuyết, Cơ lượng tử 1, Điện động lực học, Vật lý thống kê, Điện tử cơ bản và Kỹ thuật lập trình. Đây là giai đoạn xây dựng ngôn ngữ toán - vật lý cần thiết để tiếp cận các chủ đề lượng tử ở trình độ cao hơn. Đáng chú ý, học phần Kỹ thuật lập trình được tổ chức gồm cả lý thuyết lẫn thực hành, đặt nền móng cho việc triển khai các thuật toán tính toán trong các học phần chuyên ngành sau này.

Khối kiến thức chuyên ngành bắt buộc gồm 18 tín chỉ bao gồm sáu học phần cốt lõi: Vật lý tính toán, Cơ lượng tử nâng cao, Trạng thái rắn cơ bản, Quang lượng tử, Lý thuyết trường lượng tử và Nhập môn tính toán lượng tử. Các học phần này cung cấp hệ thống lý luận toàn diện về cơ học lượng tử ứng dụng và lý thuyết trường, đồng thời dẫn dắt sinh viên vào những khái niệm nền tảng của tính toán lượng tử hiện đại. Đặc biệt, học phần Vật lý tính toán được tổ chức với cả tiết lý thuyết và tiết thực hành và các học phần về tính toán lượng tử cũng có các buổi thực hành giúp sinh viên vận dụng các thuật toán và mô phỏng trên nền tảng lượng tử, không chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết trừu tượng.

Ở khối học phần tự chọn với tổng tối thiểu 30 tín chỉ, chương trình cung cấp hai định hướng song song để sinh viên lựa chọn phù hợp với mục tiêu nghề nghiệp của mình. Định hướng thứ nhất tập trung vào nền tảng lý thuyết và công cụ tính toán, bao gồm các học phần như Phương pháp tính toán trong Vật lý lý thuyết, Các phương pháp gần đúng trong cơ lượng tử, Cơ sở lý thuyết thông tin lượng tử, Toán học cho tính toán lượng tử, Thuật toán và lập trình lượng tử, Máy học và ứng dụng, Lý thuyết ước lượng lượng tử, và Tính toán lượng tử cho phân tích dữ liệu. Định hướng thứ hai chú trọng vào các ứng dụng và hệ thống lượng tử cụ thể, với các học phần như Mô phỏng lượng tử các hệ vật chất, Cơ sở lý thuyết phần cứng lượng tử, Máy học lượng tử, Bảo mật lượng tử, Tối ưu hóa lượng tử, Mật mã hậu lượng tử và Chụp cắt lớp trạng thái lượng tử. Sự đa dạng này cho phép sinh viên tự định hướng theo năng lực và sở thích, từ nghiên cứu lý thuyết đến phát triển ứng dụng thực tiễn. Chương trình kết thúc bằng Khóa luận tốt nghiệp 10 tín chỉ, tại đó sinh viên có cơ hội thực hiện một nghiên cứu chuyên sâu dưới sự hướng dẫn trực tiếp của giảng viên, góp phần hình thành năng lực nghiên cứu độc lập.

Năng lực đào tạo và nghiên cứu tính toán lượng tử

Năng lực đào tạo của Trường Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG-HCM được khẳng định qua bề dày kinh nghiệm trong đào tạo Vật lý, Toán học và các ngành khoa học tự nhiên liên quan. Đặc biệt, Khoa Vật lý - Vật lý Kỹ thuật đã chủ động tiếp cận lĩnh vực tính toán lượng tử từ trước khi chương trình đào tạo được xây dựng chính thức. Khoa đã tổ chức nhiều hội thảo khoa học và seminar chuyên đề về công nghệ lượng tử, thu hút đông đảo giảng viên, nhà nghiên cứu, sinh viên và các đối tác quan tâm tham dự. Các sự kiện này không chỉ tạo diễn đàn trao đổi học thuật mà còn góp phần hình thành sự đồng thuận rộng rãi trong cộng đồng khoa học về sự cần thiết phải mở chương trình đào tạo bài bản trong lĩnh vực này.

Chương trình được triển khai bởi đội ngũ giảng viên có trình độ chuyên môn cao, được đào tạo tại các cơ sở học thuật uy tín ở nhiều quốc gia, bao gồm Việt Nam, Nhật Bản, Đức, Pháp, Hàn Quốc, Ireland và Đài Loan. Các giảng viên thuộc nhiều chuyên ngành khác nhau - từ vật lý lý thuyết, vật lý lượng tử, quang lượng tử, vật lý chất rắn, cho đến toán học, công nghệ thông tin và khoa học dữ liệu - phản ánh đúng tính chất liên ngành của lĩnh vực tính toán lượng tử. Nhiều giảng viên trong đội ngũ có hướng nghiên cứu gắn liền trực tiếp với nội dung chương trình, với các công trình khoa học đã được công bố ở cả cấp trong nước lẫn quốc tế.

Bên cạnh đội ngũ giảng viên cơ hữu với nhiều năm kinh nghiệm giảng dạy và nghiên cứu, chương trình còn có sự tham gia của các giảng viên thỉnh giảng chuyên sâu trong các lĩnh vực vật lý lượng tử và khoa học dữ liệu, góp phần làm phong phú thêm nội dung đào tạo và kết nối sinh viên với những xu hướng nghiên cứu đang diễn ra trong thực tế. Sự đa dạng về nền tảng học thuật và kinh nghiệm nghiên cứu của đội ngũ giảng viên tạo điều kiện thuận lợi để sinh viên được tiếp cận chương trình học từ nhiều góc nhìn chuyên môn khác nhau, đồng thời nhận được sự hướng dẫn sát sao trong quá trình học tập và thực hiện khóa luận tốt nghiệp.

Song song với các hoạt động học thuật trong nước, đội ngũ giảng viên của khoa đang tích cực tham gia nghiên cứu và hợp tác quốc tế về công nghệ lượng tử, với nhiều công trình được báo cáo tại các hội nghị khoa học uy tín quốc tế. Hoạt động nghiên cứu sôi nổi này không chỉ nâng cao năng lực chuyên môn của giảng viên mà còn trực tiếp cập nhật những xu hướng mới nhất vào nội dung giảng dạy. Đáng chú ý, sinh viên và học viên của khoa cũng đang tích cực tham gia vào các dự án nghiên cứu về lượng tử, thu được nhiều kết quả quan trọng - điều này cho thấy nhu cầu và năng lực tiếp nhận kiến thức lượng tử trong người học đã được hình thành, tạo tiền đề thuận lợi để chương trình đào tạo chính thức đi vào vận hành hiệu quả.

Cơ hội nghề nghiệp sau khi tốt nghiệp

Sinh viên tốt nghiệp chuyên ngành Tính toán lượng tử với nền tảng từ ngành Vật lý học sẽ được trang bị một tập hợp kỹ năng đa dạng: tư duy phân tích định lượng, khả năng mô hình hóa hệ thống phức tạp, kỹ năng lập trình khoa học và hiểu biết sâu về các nguyên lý lượng tử. Đây là những phẩm chất được đánh giá cao trong nhiều môi trường làm việc khác nhau.

Về hướng nghiên cứu và học thuật, sinh viên có thể tiếp tục theo đuổi các chương trình cao học và nghiên cứu sinh trong nước hoặc quốc tế tại các trường đại học, viện nghiên cứu hoạt động trong các lĩnh vực vật lý lý thuyết, thông tin lượng tử, khoa học vật liệu và các ngành liên quan. Về hướng ứng dụng và công nghệ, sinh viên có thể tham gia vào các vị trí kỹ sư lượng tử, nghiên cứu viên tại các công ty và trung tâm nghiên cứu công nghệ, hoặc đóng góp vào các dự án phát triển phần mềm và thuật toán lượng tử. Ngoài ra, với nền tảng phân tích dữ liệu và học máy được tích hợp trong chương trình, sinh viên cũng có thể làm việc trong lĩnh vực khoa học dữ liệu, bảo mật thông tin và các ngành công nghệ số nói chung.

Tính toán lượng tử là một lĩnh vực còn đang trong giai đoạn hình thành và phát triển. Điều đó đặt ra yêu cầu cao về khả năng thích nghi và tự học, nhưng đồng thời cũng mở ra không gian rộng lớn cho những ai có nền tảng vững chắc và sẵn sàng đón nhận thách thức.

Tạm kết

Chuyên ngành Tính toán lượng tử trong chương trình đào tạo ngành Vật lý học khóa tuyển 2025 được xây dựng với mục tiêu đào tạo những cá nhân không chỉ hiểu tính toán lượng tử ở bề mặt, mà có khả năng tiếp cận lĩnh vực này từ nền tảng khoa học cơ bản, từ đó đóng góp có chiều sâu vào sự phát triển của một ngành đang định hình tương lai. Đây là một chương trình dành cho những ai nghiêm túc với con đường khoa học và sẵn sàng đầu tư vào một nền tảng tri thức bền vững.