Dũng Virgo
IBM vừa trình diễn một hệ thống làm lạnh có thể đưa nhiệt độ xuống khoảng 10 millikelvin, tương đương gần -273,14 độ C. Mức nhiệt này thấp hơn không gian sâu khoảng 180 lần theo cách so sánh được hãng đưa ra.
Tuy nhiên, điểm đáng chú ý không chỉ nằm ở con số cực thấp. Hệ thống được thiết kế để giải quyết một trở ngại quan trọng của máy tính lượng tử: làm thế nào kết nối ngày càng nhiều bộ xử lý lượng tử mà vẫn duy trì môi trường ổn định, gần với độ không tuyệt đối.
Thay vì tập trung tạo ra một thiết bị làm lạnh khổng lồ duy nhất, IBM đang phát triển kiến trúc gồm nhiều module có thể ghép nối. Đây được xem là một phần hạ tầng cần thiết cho mục tiêu xây dựng các máy tính lượng tử có khả năng mở rộng và chống lỗi tốt hơn.
Vì sao máy tính lượng tử cần lạnh đến vậy?
Máy tính lượng tử siêu dẫn của IBM sử dụng qubit để lưu trữ và xử lý thông tin. Khác với bit thông thường chỉ nhận hai trạng thái 0 hoặc 1, qubit hoạt động dựa trên các trạng thái lượng tử rất nhạy cảm với môi trường xung quanh.
Nhiệt, rung động, nhiễu điện từ và nhiều tác động bên ngoài có thể làm mất trạng thái lượng tử trước khi phép tính hoàn tất. Hiện tượng này làm tăng sai số, khiến kết quả không còn đáng tin cậy. Vì vậy, các bộ xử lý lượng tử siêu dẫn cần được vận hành ở mức nhiệt dưới 15 millikelvin.
Để hình dung, 10 millikelvin chỉ cao hơn độ không tuyệt đối một khoảng rất nhỏ. Độ không tuyệt đối tương ứng -273,15 độ C, mức nhiệt lý tưởng mà vật chất gần như không còn năng lượng nhiệt có thể lấy đi. Trong thực tế, việc đạt và duy trì điều kiện như vậy đòi hỏi một hệ thống làm lạnh nhiều tầng, phức tạp hơn rất nhiều so với tủ lạnh dân dụng.
Bên trong hệ thống làm lạnh mới của IBM
Hệ thống của IBM kết hợp máy nén helium, bộ làm lạnh pha loãng cùng nhiều lớp bảo vệ nhiệt và chống nhiễu điện từ. Các thành phần này phối hợp để hạ nhiệt theo từng giai đoạn, đồng thời hạn chế lượng nhiệt từ môi trường bên ngoài truyền vào khu vực đặt chip lượng tử.
Quá trình làm lạnh không diễn ra ngay lập tức. Hệ thống cần hơn bốn ngày để hạ nhiệt xuống khoảng 4 K trước khi tiếp tục tiến vào vùng dưới 15 millikelvin. Khoảng thời gian này cho thấy việc vận hành máy tính lượng tử không chỉ phụ thuộc vào chip hay qubit, mà còn cần một hạ tầng làm lạnh có độ ổn định cao.
Trong cách gọi dễ hình dung, IBM ví thiết bị này như một “tủ lạnh” siêu lạnh. Dù vậy, đây không phải sản phẩm phục vụ nhu cầu gia dụng mà là một hệ thống kỹ thuật chuyên dụng, được xây dựng để bao quanh và bảo vệ phần cứng lượng tử.
Thách thức lớn hơn: đưa nhiều chip vào cùng hệ thống
Một chip lượng tử chỉ có thể chứa một số lượng qubit nhất định. Khi muốn giải quyết những bài toán phức tạp hơn, các nhà nghiên cứu phải tăng số lượng qubit, bộ xử lý lượng tử và đường kết nối giữa chúng.
Vấn đề phát sinh là mỗi chip bổ sung lại kéo theo thêm dây dẫn, linh kiện điều khiển và nguồn nhiệt. Nếu tất cả được đặt trong một hệ thống làm lạnh duy nhất, thiết bị sẽ nhanh chóng trở nên cồng kềnh. Việc bảo trì hoặc nâng cấp cũng khó khăn hơn, bởi chỉ một thay đổi trong cấu trúc bên trong có thể ảnh hưởng đến môi trường nhiệt đã được kiểm soát.
Đây là lý do IBM lựa chọn thiết kế dạng module. Mỗi module mới có chiều cao và chiều rộng khoảng 2,4 m, với không gian bên trong khoảng 0,25 m3. Theo IBM, thiết kế này tạo ra không gian cho hệ thống dây kết nối nhiều hơn tới 12 lần so với những hệ thống lượng tử mà hãng đang sử dụng rộng rãi hiện nay.
Về mặt vận hành, kiến trúc module có thể đem lại cách mở rộng linh hoạt hơn. Thay vì tháo dỡ một “siêu tủ lạnh” mỗi khi cần nâng cấp, IBM có thể bổ sung thêm module và tìm cách liên kết chúng trong cùng một hệ thống lượng tử.
L-coupler giúp nối các bộ xử lý ở khoảng cách xa
Để các module có thể phối hợp, IBM phát triển L-coupler, loại cáp siêu dẫn bằng nhôm dài khoảng 1 m. Đây là thành phần có nhiệm vụ mở rộng kết nối giữa các bộ xử lý lượng tử nằm trong những khoang làm lạnh khác nhau.
Trong một hệ thống lượng tử thông thường, các phép toán giữa hai qubit được thực hiện thông qua bộ ghép nối bố trí ngay trên chip. L-coupler đưa khả năng kết nối này ra ngoài phạm vi một chip, hướng tới việc liên kết các QPU đặt trong những module riêng biệt.
IBM cho biết các nhà nghiên cứu đã lần đầu chứng minh khả năng kết nối QPU nằm trong các module làm lạnh khác nhau, đồng thời duy trì mức nhiệt cần thiết cho chúng hoạt động. Đây là kết quả quan trọng ở cấp độ hạ tầng, bởi việc truyền tín hiệu giữa các vùng cực lạnh mà không làm ảnh hưởng đến qubit là một bài toán khó.
Dù vậy, thử nghiệm hiện tại chưa đồng nghĩa với việc IBM đã tạo ra một máy tính lượng tử quy mô lớn hoàn chỉnh. Các nhà nghiên cứu mới thực hiện những phép toán cổng đơn giản với bộ xử lý Flamingo. Những phép tính phức tạp giữa các module vẫn chưa được chứng minh trong giai đoạn này.
Lộ trình hướng tới 1.000 qubit
IBM dự kiến đưa kiến trúc làm lạnh dạng module vào triển khai từ năm 2027. Những hệ thống đầu tiên có thể gồm hai đến ba module, hỗ trợ khoảng 1.000 qubit.
Đây là bước trung gian trong lộ trình hướng tới Quantum Starling, hệ thống máy tính lượng tử mà IBM đặt mục tiêu triển khai vào năm 2029. Starling được thiết kế với khoảng 200 logical qubit và khả năng thực hiện tới 100 triệu cổng lượng tử.
Logical qubit có thể hiểu là qubit ở cấp độ hệ thống, được tạo ra từ nhiều qubit vật lý và các cơ chế sửa lỗi. Việc đạt số lượng logical qubit lớn có ý nghĩa khác với việc chỉ tăng số qubit vật lý, bởi máy tính lượng tử thực tế cần kiểm soát và giảm lỗi trong suốt quá trình tính toán.
| Mốc dự kiến | Mục tiêu |
|---|---|
| 2027 | Đưa kiến trúc làm lạnh dạng module vào triển khai, với các hệ thống đầu tiên gồm 2-3 module. |
| Khoảng 2027 | Hỗ trợ khoảng 1.000 qubit trong những hệ thống module ban đầu. |
| 2029 | Hướng tới Quantum Starling với khoảng 200 logical qubit và tới 100 triệu cổng lượng tử. |
Nếu đạt được các mục tiêu này, IBM kỳ vọng máy tính lượng tử có thể xử lý những bài toán vượt xa khả năng của siêu máy tính hiện nay trong một số lĩnh vực như hóa học, khoa học vật liệu và vật lý lý thuyết.
Đây chưa phải máy tính lượng tử chịu lỗi
Hệ thống làm lạnh mới nên được nhìn nhận như một nền móng kỹ thuật, không phải một máy tính lượng tử chịu lỗi đã hoàn thiện. IBM mới chứng minh được rằng hai module có thể kết nối và cùng duy trì nhiệt độ cần thiết. Hãng dự kiến đưa bộ xử lý thế hệ Nighthawk vào hệ thống trong thời gian tới.
Máy tính lượng tử chịu lỗi cần có khả năng phát hiện và sửa những lỗi phát sinh khi qubit hoạt động. Đây là yêu cầu đặc biệt khó vì bản thân qubit rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Một thiết bị làm lạnh tốt có thể giảm tác động của nhiệt, nhưng không thể tự mình giải quyết toàn bộ bài toán sửa lỗi lượng tử.
IBM cũng nhìn nhận con đường này cần hàng nghìn cải tiến đồng thời ở nhiều lớp công nghệ, từ bộ xử lý, phần mềm, hệ thống điều khiển đến thuật toán sửa lỗi và hạ tầng làm lạnh. Vì thế, việc kết nối các module chỉ là một phần trong kế hoạch dài hạn.
Ý nghĩa thực tế của thiết kế module
Giá trị lớn nhất của hệ thống mới không nằm ở việc nó đạt mức nhiệt thấp hơn không gian vũ trụ. Điểm quan trọng hơn là IBM đang tìm cách biến một hạ tầng vốn khó mở rộng thành cấu trúc có thể ghép nối.
Nếu phương án này hoạt động đúng kỳ vọng, mỗi module có thể đóng vai trò như một đơn vị mở rộng cho toàn hệ thống. Nhiều QPU sẽ không nhất thiết phải chen chúc trong cùng một khoang làm lạnh, trong khi việc bổ sung phần cứng có thể được thực hiện theo từng giai đoạn.
Cách tiếp cận này cũng giúp IBM tách bài toán thành các phần dễ kiểm soát hơn: làm lạnh từng module, duy trì tín hiệu giữa các module và phối hợp hoạt động của nhiều bộ xử lý. Tuy nhiên, khả năng kết nối về mặt vật lý chưa đảm bảo rằng các QPU đã có thể thực hiện những thuật toán lớn một cách hiệu quả.
“Tủ lạnh” siêu lạnh của IBM vì vậy không phải đích đến cuối cùng. Nó là nền tảng để hãng thử nghiệm cách xây dựng máy tính lượng tử lớn hơn, bền bỉ hơn và tiến gần hơn tới khả năng chịu lỗi.
Trong những năm tới, kết quả thực tế sẽ phụ thuộc vào việc IBM có thể duy trì độ ổn định của nhiều module, giảm lỗi khi truyền tín hiệu và thực hiện các phép toán liên module phức tạp đến đâu. Nếu vượt qua được các bước này, kiến trúc làm lạnh dạng module có thể trở thành một thành phần quan trọng trong quá trình mở rộng máy tính lượng tử.
Sạc nhanh 240W trên smartphone Trung Quốc hoạt động ra sao?
Claude phát hiện hệ thống DNA lặp mới mang tên ART
Não người có thể hình thành từ hai hệ thần kinh cổ đại
Nếu không có Thomas Edison, công nghệ hiện đại sẽ ra sao?
Dịch chuyển lượng tử: Vì sao con người vẫn chưa thể “dịch chuyển”?
Chiếc túi sách tiết lộ cách Bill Gates học hỏi và thành công
Cụ bà hồi tỉnh trong quan tài rồi qua đời hai ngày sau
