6 phút đọc
Hãng công nghệ IBM vừa công bố một hệ thống làm lạnh sâu dạng module thế hệ mới, có khả năng đạt nhiệt độ dưới -273,14 độ C. Sự đột phá về hạ tầng làm lạnh này được kỳ vọng sẽ giải quyết bài toán hóc búa nhất của các kỹ sư vật lý lượng tử, dọn đường cho việc ra mắt máy tính lượng tử có khả năng chống lỗi quy mô lớn vào năm 2029.
Rào cản nhiệt độ cực hạn trong điện toán lượng tử
Điện toán lượng tử đại diện cho bước nhảy vọt tiếp theo của công nghệ nhờ khả năng xử lý song song vượt trội. Khác với máy tính thông thường sử dụng các bit nhị phân vốn chỉ lưu trữ giá trị 0 hoặc 1, máy tính lượng tử vận hành dựa trên các bit lượng tử (qubit). Qubit có thể tồn tại ở nhiều trạng thái giữa 0 và 1 cùng lúc, giúp tăng sức mạnh tính toán theo cấp số nhân và giải quyết các phép tính quy mô lớn trong thời gian ngắn hơn nhiều so với những siêu máy tính nhanh nhất hiện nay.
Tuy nhiên, để các đơn vị xử lý lượng tử siêu dẫn (QPU) hoạt động chính xác, chúng đòi hỏi một môi trường cực lạnh, gần sát độ 0 tuyệt đối (-273,15 độ C). Trong các hệ thống cũ, cấu trúc phức tạp của tủ lạnh và hạ tầng tính toán khiến việc chế tạo máy tính lượng tử quy mô lớn gặp rất nhiều khó khăn. Các kỹ sư không thể mở rộng quy mô bằng cách xây dựng một tòa nhà siêu lạnh khổng lồ rồi lấp đầy bằng bộ xử lý lượng tử, vì hạ tầng này quá lớn và dễ hỏng hóc. Mỗi khi cần nâng cấp hệ thống, khắc phục lỗi phần cứng hoặc kiểm tra chip, đội ngũ kỹ thuật phải dỡ niêm phong nhiệt độ, gây gián đoạn hoàn toàn hoạt động của máy tính.
Thiết kế module hình hộp chữ nhật đột phá và kết quả thử nghiệm thực tế
Để vượt qua giới hạn của các hệ thống dạng trụ tròn truyền thống, IBM đã thực hiện một bước thay đổi mang tính cách mạng trong thiết kế khi chuyển sang cấu trúc dạng module hình chữ nhật.
Thay đổi thiết kế này mang lại hàng loạt ưu điểm vượt trội:
- Tối ưu hóa không gian đi dây: Cấu trúc mới cung cấp không gian đi dây nhiều gấp 12 lần so với phiên bản hình trụ tròn trước đây của IBM. Điều này cho phép tích hợp hệ thống dây dẫn hiển thị dữ liệu đo lường và điều khiển dày đặc hơn rất nhiều.
- Kết nối liền mạch: Thiết kế mới giúp đơn giản hóa kết nối giữa các ô liền kề, tạo thêm nhiều diện tích cho các bộ xử lý lượng tử hoạt động.
- Khả năng tối ưu hóa linh hoạt: Các thành phần và hệ thống phụ được tách riêng biệt. Nhờ đó, các kỹ sư có thể dễ dàng tối ưu hóa cấu trúc trong tương lai ngay cả khi mật độ dây dẫn, tủ lạnh và thiết bị lượng tử tăng lên.
Để đạt được độ lạnh sâu vượt qua cả nhiệt độ của không gian sâu (-270,45 độ C), các kỹ sư của IBM đã kết hợp máy nén khí heli siêu lạnh với động cơ làm lạnh pha loãng thương mại. Hệ thống duy trì khả năng chống nóng bằng vỏ bọc chân không, miếng đệm chống nhiễu điện từ và tấm chắn siêu cách nhiệt bằng sợi Mylar nhiều lớp.
Trong một thử nghiệm thực tế gần đây, IBM đã kết hợp hai module của hệ thống tủ lạnh mới này. Kết quả chứng minh chúng có thể kết hợp để hạ nhiệt độ xuống -269,15 độ C trong chưa đầy 5 ngày, và nhanh chóng đạt mức nhiệt cực hạn dưới -273,14 độ C ngay sau đó.
Lộ trình hiện thực hóa siêu máy tính Starling vào năm 2029
Hạ tầng làm lạnh module mới nằm trong lộ trình phát triển phần cứng dài hạn của IBM nhằm hướng tới các hệ thống thương mại hóa thực tế.
Hãng dự kiến sẽ bắt đầu triển khai hệ thống làm lạnh sâu dạng module này vào năm 2027. Ở phiên bản trước mắt, hệ thống sẽ sử dụng từ 2 đến 3 ô (module) kết hợp để hỗ trợ vận hành tổng cộng khoảng 1.000 qubit.
Mục tiêu xa hơn và quan trọng nhất của IBM là ra mắt Starling vào năm 2029. Đây sẽ là máy tính lượng tử chịu lỗi đầu tiên trên thế giới, dự kiến chứa tới 200 qubit logic và thực hiện được 100 triệu phép tính lượng tử – gấp 20.000 lần so với các hệ thống hiện nay. Khả năng chịu lỗi nhờ kỹ thuật sửa lỗi lượng tử theo thời gian thực sẽ cho phép các nhà khoa học máy tính thực hiện các nghiên cứu đột phá trên nhiều lĩnh vực khác nhau như hóa học, khoa học vật liệu và vật lý lý thuyết.
Những mảnh ghép công nghệ cần tiếp tục theo dõi
Dù thử nghiệm ban đầu đạt kết quả khả quan, thực tế vận hành hệ thống làm lạnh dạng module này vẫn còn một số điểm cần thời gian trả lời. Giới công nghệ sẽ cần theo dõi sát sao khả năng duy trì nhiệt độ ổn định của hệ thống khi tích hợp đồng thời hàng nghìn qubit thực tế vào năm 2027 thay vì chỉ thử nghiệm module trống. Ngoài ra, việc duy trì tính chịu lỗi của máy tính Starling trong môi trường nhiệt độ cực thấp khi xử lý khối lượng phép tính khổng lồ lên tới 100 triệu phép tính vào năm 2029 vẫn là một bài toán thực tiễn cần được kiểm chứng trong tương lai.
Nguồn tham khảo: Xem bài gốc
