IBM Đem Đến Công Nghệ Làm Lạnh Siêu Tối Tân Để Phát Triển Máy Tính Lượng Tử

Gần đây, IBM đã giới thiệu một hệ thống làm lạnh đặc biệt với khả năng giảm nhiệt độ xuống mức gần 10 millikelvin, tức là khoảng -273,14 °C. Nhiệt độ này lạnh hơn không gian sâu gấp 180 lần, mở ra những tiềm năng mới cho máy tính lượng tử. Công nghệ này nhằm giải quyết một thách thức lớn trong việc kết nối nhiều chip trong môi trường lạnh cần thiết cho chúng hoạt động hiệu quả.

Tìm Hiểu Về “Tủ Lạnh” Siêu Lạnh

Hệ thống làm lạnh siêu dẫn của IBM sử dụng các qubit rất nhạy cảm với nhiễu từ bên ngoài. Nhiệt độ và yếu tố môi trường có thể làm mất trạng thái lượng tử, dẫn đến sai sót trong tính toán. Do đó, các bộ xử lý lượng tử của IBM cần duy trì ở nhiệt độ thấp hơn 15 millikelvin để đảm bảo hoạt động chính xác.

Hệ thống mới của IBM có thể đạt đến nhiệt độ khoảng 10 millikelvin nhờ vào việc sử dụng máy nén helium và bộ làm lạnh pha loãng, kết hợp với các lớp bảo vệ nhiệt để chống lại nhiễu điện từ. Quá trình làm lạnh này cần hơn 4 ngày để đưa hệ thống đạt được mức nhiệt cần thiết.

Tuy nhiên, việc duy trì điều kiện nhiệt độ cực thấp này đặt ra thách thức lớn hơn khi số lượng chip lượng tử cần được kết nối ngày càng gia tăng.

Thách Thức Trong Việc Mở Rộng Hệ Thống

Một chip lượng tử chỉ có thể chứa một số qubit nhất định. K hi thực hiện các phép tính phức tạp hơn, IBM cần tích hợp thêm chip và dây kết nối. Nhưng việc thêm nhiều thành phần vào hệ thống không chỉ làm tăng độ cồng kềnh mà còn làm khó khăn trong việc bảo trì và kiểm soát nhiệt độ.

Nếu xây dựng một hệ thống làm lạnh đủ lớn cho hàng trăm QPU, khả năng bảo trì sẽ gặp nhiều khó khăn và mỗi lần nâng cấp có thể phá hủy môi trường làm lạnh. Đó là lý do tại sao IBM chọn cách chia hệ thống làm lạnh thành nhiều module có thể kết nối với nhau.

Mỗi module mới có chiều cao và chiều rộng khoảng 2,4 m, mang lại không gian bên trong khoảng 0,25 m³. Theo IBM, thiết kế này giúp tăng không gian kết nối lên đến 12 lần so với các hệ thống trước đây.

Các module này sẽ không hoạt động độc lập, mà IBM đang nghiên cứu cách kết nối chúng để các bộ xử lý lượng tử có thể tương tác hiệu quả trong cùng một cấu trúc.

Kết Nối Các Module Bằng Cáp Siêu Dẫn

Công nghệ chính được sử dụng trong việc kết nối là L-coupler, một loại cáp siêu dẫn bằng nhôm dài khoảng 1 mét. Điều này cho phép các qubit thực hiện phép toán hai qubit qua các bộ ghép nối, bất kể khoảng cách giữa các module làm lạnh khác nhau.

IBM cho biết đây là lần đầu tiên mà khả năng kết nối các QPU trong các module riêng biệt được chứng minh mà vẫn duy trì nhiệt độ hoạt động cần thiết.

Trong tương lai, thiết kế này sẽ được mở rộng để kết nối hàng trăm chip lượng tử mà không cần thiết phải tập trung tất cả vào một hệ thống làm lạnh duy nhất.

Mục Tiêu Chinh Phục 1.000 Qubit vào Năm 2027

IBM đang hướng tới việc áp dụng kiến trúc làm lạnh mới vào năm 2027, với các hệ thống đầu tiên có thể bao gồm từ 2 đến 3 module, và hỗ trợ đến khoảng 1.000 qubit.

Đây sẽ là bước tiến quan trọng hướng đến dự án Quantum Starling, một hệ thống máy tính lượng tử mà IBM dự định ra mắt vào năm 2029, với khả năng thực hiện 200 logical qubit và tới 100 triệu cổng lượng tử.

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

Hiện tại, công nghệ mới của IBM vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm.

Chưa Phải Là Máy Tính Lượng Tử Chịu Lỗi Hoàn Chỉnh

Việc kết nối hai module làm lạnh đã được thử nghiệm, nhưng chưa có phép tính phức tạp nào thực hiện giữa các module diễn ra thành công. IBM dự kiến sẽ tích hợp bộ xử lý thế hệ Nighthawk vào hệ thống này trong thời gian tới.

Điều đó có nghĩa rằng hệ thống mới vẫn chưa phải là một máy tính lượng tử chịu lỗi hoàn chỉnh. Đây chỉ là một phần trong cấu trúc mà IBM cần để hiện thực hóa mục tiêu này.

Máy tính lượng tử chịu lỗi yêu cầu khả năng tự sửa chữa các lỗi phát sinh trong quá trình tính toán, bởi vì qubit rất nhạy cảm với nhiễu. IBM tin rằng cần phải có hàng triệu cải tiến về bộ xử lý, phần mềm và kết cấu để đạt được điều này.

Do đó, điều quan trọng không nằm ở việc họ có thể tạo ra nhiệt độ thấp đến mức nào, mà là việc IBM đang tạo ra một hệ thống làm lạnh có thể mở rộng trong tương lai. Nếu mọi chuyện diễn ra như dự kiến, IBM sẽ từng bước gia tăng số lượng chip và qubit mà không cần xây dựng một “siêu tủ lạnh” duy nhất. Điều này sẽ là nền tảng cho việc đạt được mục tiêu 1.000 qubit vào năm 2027 và phát triển hệ thống máy tính lượng tử chịu lỗi Starling vào năm 2029.