IBM Đột Phá Với Hệ Thống Làm Lạnh Siêu Cấp Để Phát Triển Máy Tính Lượng Tử

IBM vừa giới thiệu một công nghệ làm lạnh tiên tiến, cho phép đạt được nhiệt độ cực thấp khoảng 10 millikelvin, tương đương với -273,14°C. Điều này lạnh hơn hàng trăm lần so với không gian vũ trụ, nhằm giải quyết một trong những thách thức lớn nhất trong việc phát triển máy tính lượng tử: làm sao để bảo trì nhiệt độ cần thiết cho hoạt động của hàng chục chip lượng tử.

Hệ thống làm lạnh vượt trội

Những chip lượng tử siêu dẫn của IBM rất nhạy cảm với sự nhiễu loạn nhiệt. Chỉ cần một yếu tố bên ngoài nhỏ cũng có thể làm mất trạng thái lượng tử, dẫn đến sai sót trong các phép toán. Vì lý do đó, chip lượng tử của IBM phải được giữ ở nhiệt độ dưới 15 millikelvin, gần như là mức độ không tuyệt đối.

Hệ thống mới không chỉ đạt tới 10 millikelvin mà còn sử dụng máy nén helium, thiết bị làm lạnh pha loãng và các lớp bảo vệ nhiệt để duy trì nhiệt độ này. Đặc biệt, quá trình làm lạnh mất khá nhiều thời gian, khoảng hơn 4 ngày để hạ thấp nhiệt độ từ 4 K xuống 15 millikelvin.

Thế nhưng, việc duy trì điều kiện nhiệt độ lý tưởng cho nhiều chip lượng tử là một thách thức lớn hơn. Càng nhiều chip được kết nối lại càng khó khăn để kiểm soát nhiệt độ, điều này đặt ra một câu hỏi: Làm thế nào để giải quyết bài toán mở rộng trong tương lai?

Giải pháp cho bài toán mở rộng

Mỗi chip lượng tử có giới hạn về số lượng qubit, do đó IBM cần thêm chip và kết nối để đáp ứng nhu cầu tính toán ngày càng lớn. Nếu xây dựng một hệ thống làm lạnh lớn duy nhất cho hàng trăm QPU, thiết kế sẽ trở nên cồng kềnh và khó bảo trì. Mỗi khi cần nâng cấp hay sửa chữa, môi trường nhiệt độ có thể bị phá vỡ.

Để vượt qua trở ngại này, IBM đang triển khai một mô hình mới, chia hệ thống làm lạnh thành nhiều module có thể kết nối với nhau dễ dàng hơn.

Các module mới có kích thước cao khoảng 2,4 m và cung cấp không gian bên trong đạt 0,25 m³. Theo IBM, thiết kế này tạo ra không gian kết nối nhiều hơn gấp 12 lần so với hệ thống trước đây.

Không chỉ hoạt động độc lập, những module này còn có thể phối hợp với nhau để nhiều bộ xử lý lượng tử làm việc trong một hệ thống thống nhất.

Kết nối tối ưu với L-coupler

Công nghệ chủ chốt được áp dụng trong dự án này là L-coupler, dây cáp siêu dẫn bằng nhôm dài một mét. Dễ dàng kết nối các qubit từ những module làm lạnh khác nhau, mở rộng khả năng tính toán ra khoảng cách lớn mà không làm mất đi nhiệt độ cần thiết.

IBM đã chứng minh rằng việc kết nối các QPU trong các module riêng biệt là khả thi, đồng thời vẫn duy trì điều kiện làm lạnh tối ưu.

Trong tương lai, kế hoạch của IBM là tạo ra hàng trăm chip lượng tử hoạt động đồng bộ, thay vì phải phụ thuộc vào một hệ thống làm lạnh duy nhất.

Mục tiêu 1.000 qubit vào năm 2027

IBM dự kiến sẽ triển khai kiến trúc làm lạnh dạng module vào năm 2027 với các hệ thống đầu tiên có thể bao gồm 2-3 module, hỗ trợ khoảng 1.000 qubit. Đây sẽ là một bước tiến lớn cho hệ thống Quantum Starling, dự kiến vận hành vào năm 2029, với mục tiêu xử lý 200 logical qubit và thực hiện lên tới 100 triệu cổng lượng tử.

Nếu thành công, IBM hy vọng có thể thực hiện các phép toán lượng tử vượt xa khả năng của những siêu máy tính hiện nay trong nhiều lĩnh vực như hóa học, vật liệu và vật lý lý thuyết.

Dẫu vậy, hệ thống này vẫn còn đang trong giai đoạn phát triển.

Cần thêm cải tiến để hoàn thiện

Tính đến thời điểm hiện tại, IBM chỉ mới chứng minh khả năng hai module làm lạnh kết nối thành công và duy trì nhiệt độ cần thiết. Các thử nghiệm với những phép toán đơn giản đã được thực hiện, nhưng những phép toán phức tạp giữa các module vẫn chưa thực hiện được.

Điều này cho thấy rằng “chiếc tủ lạnh” mới vẫn chưa đạt đến ngưỡng của một máy tính lượng tử chịu lỗi hoàn thiện. Đây là một phần cơ sở hạ tầng cần thiết để tiến đến mục tiêu này.

Máy tính lượng tử chịu lỗi cần khả năng tự sửa lỗi trong quá trình tính toán, và qubit vốn dĩ rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu. IBM nhận định rằng con đường tới mục tiêu này sẽ không chỉ phụ thuộc vào một phát minh đơn lẻ, mà yêu cầu hàng ngàn bước tiến trong cải cách bộ xử lý, phần mềm, hệ thống điều khiển, sửa lỗi và cơ sở hạ tầng.

Vì vậy, mục đích lớn nhất của hệ thống mới không chỉ là tạo ra nhiệt độ thấp nhất có thể, mà còn là tìm cách biến hệ thống làm lạnh khổng lồ khó mở rộng thành một kiến trúc module có thể kết nối linh hoạt.

Nếu triển khai thành công, IBM có thể từng bước tăng số lượng qubit mà không phải xây dựng một “siêu tủ lạnh” duy nhất. Đây chính là nền tảng để đạt được mục tiêu 1.000 qubit vào năm 2027 và phát triển máy tính lượng tử chịu lỗi Starling vào năm 2029.