Khám Phá Công Nghệ Làm Lạnh Đột Phá Của IBM: Tủ Lạnh Siêu Lạnh Gấp 180 Lần Không Gian Vũ Trụ

IBM vừa công bố một hệ thống làm lạnh đột phá có khả năng đạt nhiệt độ thấp nhất khoảng 10 millikelvin, tức gần với -273,14°C, lạnh hơn khoảng 180 lần so với không gian vũ trụ. Hệ thống này không chỉ là một chiếc tủ lạnh thông thường mà còn là giải pháp cho một trong những thách thức lớn nhất trong việc mở rộng khả năng của máy tính lượng tử: làm thế nào để kết nối nhiều chip mà vẫn duy trì điều kiện nhiệt độ cực thấp cần thiết để chúng hoạt động ổn định.

Công Nghệ Tủ Lạnh Đặc Biệt

Máy tính lượng tử siêu dẫn của IBM phụ thuộc vào những qubit, rất nhạy cảm với sự can thiệp của môi trường. Nhiệt độ và các yếu tố bên ngoài có thể làm rối loạn trạng thái lượng tử, dẫn đến các lỗi trong quá trình tính toán. Do đó, bộ xử lý lượng tử của IBM cần được giữ ở mức nhiệt độ rất thấp, dưới 15 millikelvin.

Hệ thống mới của IBM có thể duy trì nhiệt độ xung quanh 10 millikelvin nhờ vào việc sử dụng máy nén helium, hệ thống làm lạnh pha loãng và các lớp bảo vệ nhiệt giúp ngăn chặn nhiễu điện từ. Quá trình làm lạnh này mất khoảng 4 ngày để giảm nhiệt độ xuống 4 K trước khi tiếp tục hạ xuống dưới 15 millikelvin.

Duy trì mức nhiệt độ thấp không phải chỉ là một mục tiêu đơn giản. Thách thức lớn hơn chính là giữ cho điều kiện đó ổn định khi số lượng chip lượng tử tăng lên.

Thách Thức Mở Rộng Hệ Thống

Mỗi chip lượng tử có thể chỉ xử lý một số lượng qubit nhất định. Khi cần thực hiện các phép tính phức tạp hơn, IBM phải thêm nhiều chip, qubit và dây kết nối. Tuy nhiên, việc mở rộng hệ thống lại làm tăng sự phức tạp trong việc kiểm soát nhiệt độ và duy trì môi trường lạnh.

Việc xây dựng một tủ lạnh đủ lớn để chứa hàng trăm QPU sẽ rất cồng kềnh và khó bảo trì. Mỗi lần nâng cấp hoặc bảo trì có thể làm gián đoạn điều kiện nhiệt của hệ thống.

Bởi vậy, IBM đã quyết định hướng tới một mô hình mới: chia hệ thống làm lạnh thành nhiều module có thể kết nối với nhau.

Mỗi module mới cao khoảng 2,4 m và có không gian nội bộ đạt khoảng 0,25 m³. Thiết kế này cho phép IBM có thêm diện tích để kết nối nhiều bộ dây tín hiệu hơn gấp 12 lần so với các hệ thống hiện có.

Điều đáng chú ý là các module này không hoạt động độc lập mà có thể kết nối để cùng một hệ thống được điều khiển hiệu quả.

Kết Nối Bằng Cáp Siêu Dẫn

Công nghệ kiến trúc mới này sử dụng L-coupler, một loại cáp siêu dẫn bằng nhôm dài khoảng 1 m. Trong máy tính lượng tử thông thường, các qubit thực hiện tính toán thông qua các bộ ghép nối trên chip. Với L-coupler, khả năng này được mở rộng ra khoảng cách lớn hơn, cho phép kết nối nhiều QPU nằm trong các module làm lạnh độc lập.

IBM cho biết đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu có thể chứng minh sự kết nối giữa các QPU trong các module làm lạnh khác nhau mà vẫn duy trì được nhiệt độ tối ưu.

Về lâu dài, thiết kế này được kỳ vọng sẽ kết nối hàng trăm chip lượng tử mà không cần một tủ lạnh lớn duy nhất.

Mục Tiêu 1.000 Qubit Đến Năm 2027

IBM dự kiến sẽ ra mắt kiến trúc làm lạnh dạng module vào năm 2027. Những hệ thống đầu tiên dự kiến sẽ bao gồm từ 2 đến 3 module, hỗ trợ khoảng 1.000 qubit.

Bước tiến này là một phần của kế hoạch lâu dài hướng tới Quantum Starling, hệ thống máy tính lượng tử mà IBM dự định triển khai vào năm 2029. Hệ thống Starling được thiết kế để đạt khoảng 200 logical qubit và khả năng thực hiện lên đến 100 triệu cổng lượng tử.

Nếu đạt được mốc này, IBM mong muốn có thể thực hiện những phép tính lượng tử vượt xa khả năng của các siêu máy tính hiện tại trong nhiều lĩnh vực khác nhau như hóa học, khoa học vật liệu và vật lý lý thuyết.

Dẫu vậy, hệ thống mới vẫn đang trong giai đoạn phát triển đầu tiên.

Chưa Đạt Được Máy Tính Lượng Tử Chịu Lỗi

Đến thời điểm hiện tại, IBM đã chứng minh rằng hai module làm lạnh có thể được kết nối và duy trì nhiệt độ cần thiết cùng lúc. Họ cũng đã thực hiện một số phép toán cơ bản với bộ xử lý Flamingo, nhưng chưa thử nghiệm các phép tính phức tạp giữa các module. IBM sẽ cập nhật bộ xử lý thế hệ Nighthawk trong thời gian tới.

Điều này cho thấy rằng “tủ lạnh” mới vẫn chưa phải là một máy tính lượng tử chịu lỗi hoàn chỉnh. Đây chỉ là một phần hạ tầng quan trọng để tiến tới mục tiêu đó.

Máy tính lượng tử chịu lỗi cần khả năng tự sửa chữa các lỗi trong quá trình tính toán, trong khi qubit lại rất nhạy cảm với nhiễu. IBM cho rằng con đường hướng tới mục tiêu này không chỉ dựa vào một phát minh duy nhất mà đòi hỏi hàng ngàn cải tiến về bộ xử lý, phần mềm, hệ thống điều khiển và hạ tầng.

Nếu hệ thống này hoạt động như mong đợi, IBM có khả năng tăng dần số lượng chip và qubit mà không cần tạo ra một “tủ lạnh khổng lồ” duy nhất, đó là nền tảng vững chắc cho sự phát triển của máy tính lượng tử, với mục tiêu đạt đến 1.000 qubit vào năm 2027 và hệ thống Starling vào năm 2029.