Đo lường trong kỷ nguyên lượng tử và cách mạng kỹ thuật số

Đo lường từ lâu đã được coi là “ngôn ngữ chung” của khoa học và công nghiệp, bảo đảm tính so sánh, minh bạch và độ tin cậy của các kết quả đo. Trong bối cảnh các công nghệ mới như: Trí tuệ nhân tạo (AI), Internet vạn vật (IoT), dữ liệu lớn (Big Data) và công nghệ lượng tử phát triển mạnh mẽ, yêu cầu đối với đo lường không chỉ dừng ở độ chính xác và độ tin cậy, mà còn mở rộng sang khả năng tích hợp, tự động hóa, số hóa và truy xuất nguồn gốc theo thời gian thực. Do đó, đo lường không còn là một hoạt động kỹ thuật độc lập, mà đang trở thành một thành phần cốt lõi trong các hệ sinh thái công nghệ và sản xuất thông minh.

Đo lường trong kỷ nguyên lượng tử

Kỷ nguyên lượng tử (Quantum Era) được hiểu là giai đoạn mà các hiện tượng và hiệu ứng lượng tử - vốn trước đây chủ yếu tồn tại trong lý thuyết và phòng thí nghiệm được khai thác rộng rãi trong khoa học, công nghệ và công nghiệp. Trong lĩnh vực đo lường, kỷ nguyên này đánh dấu sự chuyển dịch căn bản từ các chuẩn vật lý cổ điển sang các chuẩn dựa trên hằng số cơ bản của tự nhiên và các hiệu ứng lượng tử có độ ổn định và độ chính xác vượt trội.

Tái định nghĩa hệ thống đơn vị đo lường quốc tế (SI), hay còn gọi là hệ mét: Một cột mốc mang tính lịch sử của đo lường hiện đại là việc tái định nghĩa toàn bộ hệ đơn vị SI vào năm 2018. Theo đó, các đơn vị cơ bản như kilogram, giây, ampe, kelvin, v.v không còn phụ thuộc vào các mẫu vật lý, mà được gắn trực tiếp với các hằng số vật lý cơ bản, bất biến của tự nhiên, như hằng số Planck, tốc độ ánh sáng trong chân không hay điện tích cơ bản.

Ví dụ điển hình là đơn vị kilogram, hiện nay được định nghĩa thông qua hằng số Planck và được hiện thực hóa bằng cân Kibble. Cách tiếp cận này cho phép tái tạo đơn vị khối lượng với độ chính xác rất cao, bảo đảm khả năng truy xuất nguồn gốc toàn cầu và tính ổn định lâu dài của hệ đơn vị.

Chuẩn và cảm biến lượng tử: Trên nền tảng hệ SI mới, nhiều chuẩn và cảm biến lượng tử đã và đang được phát triển, như đồng hồ nguyên tử quang học, chuẩn điện dựa trên hiệu ứng Josephson và Hall lượng tử, hay các cảm biến lượng tử đo từ trường, gia tốc và trọng lực. Các thiết bị này mở ra khả năng đo các đại lượng cực nhỏ hoặc cực chính xác, vượt xa giới hạn của công nghệ cổ điển, mở ra các ứng dụng mới trong khoa học và công nghiệp.

Đo lường trong cách mạng kỹ thuật số

Cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư được đặc trưng bởi số hóa, tự động hóa và kết nối thông minh. Trong bối cảnh đó, đo lường ngày càng được tích hợp trực tiếp vào các hệ thống sản xuất, quản lý và ra quyết định, thay vì chỉ đóng vai trò kiểm tra độc lập ở khâu cuối. Các xu hướng ứng dụng chủ yếu của đo lường trong bối cảnh hiện nay bao gồm:

Thứ nhất, đo lường thông minh (Smart Metrology): Thiết bị đo có khả năng tự chẩn đoán, tự hiệu chuẩn, thu thập và truyền dữ liệu theo thời gian thực, hỗ trợ ra quyết định dựa trên dữ liệu đo.

Thứ hai, đo lường từ xa và không tiếp xúc: Ứng dụng các công nghệ quang học, hình ảnh, lidar và radar, cho phép đo nhanh, an toàn và phù hợp với môi trường tự động hóa.

Thứ ba, số hóa dữ liệu đo lường: Kết quả đo được quản lý dưới dạng dữ liệu số, gắn với các khái niệm như digital twin, blockchain và truy xuất nguồn gốc số, góp phần nâng cao tính minh bạch và độ tin cậy trong chuỗi cung ứng.

Thứ tư, ứng dụng AI và học máy: AI hỗ trợ phân tích khối lượng lớn dữ liệu đo, tự động phát hiện sai lệch, tối ưu hóa quy trình đo và nâng cao hiệu quả hiệu chuẩn.

Thách thức và định hướng đối với hệ thống đo lường quốc gia

Việc kết hợp đo lường lượng tử và đo lường số mang lại nhiều lợi ích như nâng cao độ chính xác và tốc độ đo, giảm chi phí vận hành và bảo trì, tăng khả năng tích hợp vào sản xuất tự động, đồng thời mở rộng khả năng đo các đại lượng mới. Bên cạnh các lợi ích, đo lường trong kỷ nguyên mới cũng đặt ra nhiều thách thức, bao gồm yêu cầu hài hòa chuẩn mực quốc tế, bảo đảm an toàn dữ liệu và an ninh mạng, thiếu hụt nguồn nhân lực liên ngành, cũng như nhu cầu đầu tư lớn cho hạ tầng công nghệ cao.

Đối với các cảm biến lượng tử, những thách thức kỹ thuật cụ thể như ổn định laser, đồng bộ thời gian, kiểm soát nhiễu và nâng cao tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu vẫn là rào cản cần tiếp tục được nghiên cứu và khắc phục.

Một số định hướng đối với hệ thống đo lường quốc gia:

Một là, hoàn thiện thể chế và chiến lược phát triển đo lường, tích hợp các nội dung về đo lường lượng tử và đo lường số trong trung và dài hạn.

Hai là, từng bước nâng cao năng lực của hệ thống chuẩn đo lường quốc gia theo định hướng lượng tử, tăng cường tham gia các chương trình so sánh và thừa nhận lẫn nhau ở cấp khu vực và quốc tế.

Ba là, thúc đẩy chuyển đổi số trong hoạt động đo lường, hướng tới hình thành hạ tầng dữ liệu đo lường quốc gia.

Bốn là, phát triển nguồn nhân lực đo lường chất lượng cao, có kiến thức liên ngành giữa đo lường, vật lý lượng tử và công nghệ số.

Năm là, đẩy mạnh hợp tác quốc tế nhằm tiếp cận tri thức, công nghệ tiên tiến và nâng cao vị thế của Việt Nam trong hệ thống đo lường toàn cầu.

*

* *

Trong bối cảnh chuyển đổi số và phát triển công nghệ lượng tử, đo lường đang trở thành hạ tầng nền tảng của nền kinh tế số và công nghiệp thông minh. Việc chủ động phát triển hệ thống đo lường hiện đại, hội nhập quốc tế và ứng dụng công nghệ tiên tiến sẽ góp phần nâng cao năng lực khoa học, công nghệ và năng lực cạnh tranh quốc gia của Việt Nam trong giai đoạn tới./.