IBM vừa trình diễn một hệ thống làm lạnh có thể đưa nhiệt độ xuống khoảng 10 millikelvin, tương đương gần -273,14°C và lạnh hơn không gian sâu hơn 180 lần. Đằng sau “chiếc tủ lạnh” đặc biệt này là nỗ lực giải quyết một trong những bài toán khó nhất khi mở rộng máy tính lượng tử: làm thế nào kết nối ngày càng nhiều chip mà vẫn duy trì môi trường cực lạnh cần thiết cho chúng hoạt động.
“Tủ lạnh” lạnh hơn không gian vũ trụ
Các máy tính lượng tử siêu dẫn của IBM sử dụng những qubit rất nhạy với nhiễu. Nhiệt và các tác động bên ngoài có thể làm mất trạng thái lượng tử cần thiết, khiến phép tính phát sinh lỗi. Vì vậy, các bộ xử lý lượng tử của IBM cần được duy trì ở nhiệt độ dưới 15 millikelvin, gần với độ không tuyệt đối.
Hệ thống mới có thể đạt khoảng 10 millikelvin. Để duy trì mức nhiệt này, IBM sử dụng máy nén helium, bộ làm lạnh pha loãng cùng các lớp bảo vệ nhiệt và chống nhiễu điện từ. Quá trình làm lạnh cũng mất hơn 4 ngày để đưa hệ thống xuống khoảng 4 K trước khi tiếp tục hạ nhiệt xuống vùng dưới 15 millikelvin.
Tuy nhiên, việc đạt nhiệt độ cực thấp không phải mục tiêu cuối cùng. Thách thức lớn hơn là duy trì điều kiện đó khi số lượng chip lượng tử ngày càng tăng.
Bài toán lớn hơn nằm ở việc mở rộng
Một chip lượng tử chỉ có thể chứa một số lượng qubit nhất định. Khi muốn thực hiện những phép tính phức tạp hơn, IBM cần thêm chip, qubit và dây kết nối. Nhưng càng nhiều phần cứng được đưa vào hệ thống, việc kiểm soát nhiệt và duy trì môi trường cực lạnh càng khó.
Nếu xây dựng một hệ thống làm lạnh duy nhất đủ lớn để chứa hàng trăm QPU, cấu trúc sẽ trở nên cồng kềnh và khó bảo trì. Mỗi lần nâng cấp hoặc sửa chữa đều có thể phá vỡ môi trường nhiệt bên trong.
IBM vì thế chọn một hướng khác: chia hệ thống làm lạnh thành nhiều module có thể kết nối với nhau.
Mỗi module mới cao và rộng khoảng 2,4 m, với không gian bên trong khoảng 0,25 m³. Theo IBM, thiết kế này cung cấp không gian dành cho hệ thống dây kết nối nhiều hơn tới 12 lần so với các hệ thống lượng tử được hãng sử dụng rộng rãi hiện nay.
Điều quan trọng là các module không hoạt động hoàn toàn độc lập. IBM đang phát triển cách kết nối chúng để nhiều bộ xử lý lượng tử có thể phối hợp trong cùng một hệ thống.
Kết nối các “tủ lạnh” bằng cáp siêu dẫn
Công nghệ đóng vai trò then chốt ở đây là L-coupler, những dây cáp siêu dẫn bằng nhôm dài khoảng 1 m.
Trong máy tính lượng tử thông thường, các qubit thực hiện phép toán hai qubit thông qua những bộ ghép nối nằm ngay trên chip. L-coupler mở rộng khả năng này ra khoảng cách lớn hơn, cho phép kết nối các QPU nằm trong những module làm lạnh khác nhau.
IBM cho biết đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu chứng minh được khả năng kết nối QPU nằm trong những module làm lạnh riêng biệt nhưng vẫn đồng thời duy trì nhiệt độ hoạt động cần thiết.
Về lâu dài, thiết kế này được xây dựng để có thể kết nối hàng trăm chip lượng tử, thay vì buộc tất cả phải nằm trong một hệ thống làm lạnh duy nhất.
Mục tiêu 1.000 qubit vào năm 2027
IBM dự kiến đưa kiến trúc làm lạnh dạng module vào triển khai từ 2027. Những hệ thống đầu tiên có thể gồm 2-3 module, hỗ trợ khoảng 1.000 qubit.
Đây sẽ là bước tiến hướng tới Quantum Starling, hệ thống máy tính lượng tử mà IBM đặt mục tiêu triển khai vào năm 2029. Starling được thiết kế hướng tới khoảng 200 logical qubit và khả năng thực hiện tới 100 triệu cổng lượng tử.
Nếu đạt được mục tiêu này, IBM kỳ vọng có thể thực hiện những phép tính lượng tử vượt xa khả năng của các siêu máy tính hiện nay trong một số lĩnh vực như hóa học, khoa học vật liệu và vật lý lý thuyết.
Tuy nhiên, hệ thống mới của IBM vẫn đang ở giai đoạn đầu.
Chưa phải máy tính lượng tử chịu lỗi
Cho đến nay, IBM mới chứng minh rằng hai module làm lạnh có thể được kết nối và duy trì đồng thời nhiệt độ cần thiết. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm những phép toán cổng đơn giản với bộ xử lý Flamingo, nhưng chưa thực hiện các phép tính phức tạp giữa các module. IBM dự kiến đưa bộ xử lý thế hệ Nighthawk vào hệ thống trong thời gian tới.
Điều này có nghĩa “chiếc tủ lạnh” mới chưa phải một máy tính lượng tử chịu lỗi hoàn chỉnh. Nó là một phần hạ tầng mà IBM cần để tiến tới mục tiêu đó.
Máy tính lượng tử chịu lỗi đòi hỏi khả năng sửa các lỗi phát sinh trong quá trình tính toán, trong khi bản thân qubit vốn rất dễ bị nhiễu. IBM cho rằng con đường tới mục tiêu này không phụ thuộc vào một phát minh duy nhất, mà cần hàng nghìn cải tiến về bộ xử lý, phần mềm, hệ thống điều khiển, sửa lỗi và hạ tầng.
Vì vậy, ý nghĩa lớn nhất của hệ thống mới không nằm ở việc IBM có thể tạo ra mức nhiệt thấp đến mức nào. Điểm đáng chú ý là hãng đang tìm cách biến hạ tầng làm lạnh vốn rất khó mở rộng thành một hệ thống module có thể ghép nối.
Nếu kiến trúc này hoạt động như kỳ vọng, IBM có thể từng bước tăng số lượng chip và qubit mà không phải xây dựng một “siêu tủ lạnh” duy nhất. Đó là nền tảng mà hãng cần để tiến từ những hệ thống lượng tử hiện nay tới mục tiêu 1.000 qubit vào năm 2027 và máy tính lượng tử chịu lỗi Starling vào năm 2029.
Nguyễn Hải
