Tủ lạnh lượng tử mới của IBM có nhiệt độ thấp hơn không gian sâu thẳm

IBM vừa công bố một hệ thống siêu lạnh dạng mô-đun mới, được thiết kế để kết nối hàng trăm chip máy tính lượng tử, nhằm giải quyết một trong những thách thức lớn nhất trong cơ sở hạ tầng điện toán lượng tử. Công ty cho biết, “tủ lạnh lượng tử” mới này sẽ giúp họ chế tạo máy tính lượng tử chịu lỗi đầu tiên trên thế giới vào năm 2029.

Hệ thống làm lạnh sâu dạng mô-đun của IBM. (Ảnh: IBM)

Hệ thống này sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi lượng tử để khắc phục nhiễu trong thời gian thực, cho phép thực hiện các phép toán lượng tử mà không bị gián đoạn. Khả năng chịu lỗi này sẽ mở ra cơ hội cho các nhà khoa học máy tính thực hiện nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực như hóa học, khoa học vật liệu và vật lý lý thuyết, với khả năng thực hiện các phép toán vượt xa các siêu máy tính hiện đại mà không lo ngại về lỗi.

Một trong những trở ngại lớn nhất hiện nay là cơ sở hạ tầng. Đại diện của IBM cho biết, họ đã giải quyết vấn đề này bằng cách phát triển các tủ lạnh lượng tử dạng mô-đun, kết nối với nhau. Mỗi mô-đun có kích thước 8 feet (2,4 m) và có thể đạt nhiệt độ thấp tới 10 millikelvin (-459,65 độ F, hay -273,14 độ C), gần với độ không tuyệt đối, lạnh hơn không gian sâu thẳm hơn 180 lần. Nhiệt độ cực thấp này là cần thiết để các bộ xử lý lượng tử siêu dẫn (QPU) hoạt động hiệu quả.

Không gian sâu thẳm (vũ trụ sâu) là vùng không gian bao la nằm bên ngoài hệ Mặt Trời và các hệ hành tinh khác, nơi chứa đựng vô số thiên hà, cụm sao và các cấu trúc kỳ vĩ. Nhiệt độ trong không gian sâu thẳm ở mức khoảng -270,45 độ C (tương đương 2,7 Kelvin).

Theo đại diện IBM, đây là lần đầu tiên các nhà khoa học chứng minh khả năng kết nối giữa các QPU trong các mô-đun đông lạnh riêng biệt. Giống như các máy tính cổ điển, máy tính lượng tử siêu dẫn sử dụng các mạch tích hợp để thực hiện các phép toán. Tuy nhiên, mỗi chip chỉ có thể tích hợp một số lượng qubit hạn chế và cần được làm lạnh xuống dưới 15 mK để hoạt động đúng cách.

Trong tương lai, hàng chục tủ lạnh lượng tử của IBM có thể được kết nối với nhau để vận hành các hệ thống mạnh mẽ hơn. (Ảnh: IBM)

Để đạt được nhiệt độ này, các kỹ sư sử dụng phần cứng đông lạnh của bên thứ ba, kết hợp với máy nén đông lạnh heli và động cơ làm lạnh pha loãng. Quá trình làm lạnh mất hơn bốn ngày để đạt khoảng 4 K (âm 452,47 độ F, hay âm 269,15 độ C), sau đó tiếp tục giảm xuống dưới 15 mK.

Hệ thống làm lạnh mới của IBM cho phép các kỹ sư mở rộng khả năng và công suất của hệ thống từng bước một, mà không cần xây dựng một tòa nhà khổng lồ. Các mô-đun chuyên dụng có thể chứa một số lượng chip hạn chế, nhưng có khả năng kết nối với nhau thông qua các cáp siêu dẫn dài khoảng 1 mét.

IBM dự định triển khai kiến trúc đông lạnh dạng mô-đun mới vào năm 2027, mục tiêu đạt 100 triệu cổng logic vào năm 2029 với sự ra mắt của máy tính lượng tử “Starling”. Trước tiên, họ cần thực hiện các phép toán trên nhiều mô-đun. Hiện tại, các nhà khoa học đã kết nối thành công hai mô-đun đông lạnh và thực hiện các phép toán cổng logic đơn giản.

IBM sẽ sử dụng công nghệ này để cung cấp năng lượng cho máy tính lượng tử Starling sử dụng 10.000 qubit vật lý được tổ chức thành 200 qubit logic.(Ảnh: IBM)

Jerry Chow, giám đốc công nghệ mảng siêu máy tính lượng tử của IBM, cho biết: “Vấn đề không chỉ nằm ở một bước đột phá duy nhất để đạt được khả năng chịu lỗi, mà là hàng ngàn thành tựu kỹ thuật nhỏ mà chúng tôi đang chứng minh trên toàn bộ hệ sinh thái của mình”.

Trong khi đó, các phòng thí nghiệm điện toán lượng tử khác đang sử dụng các hệ thống làm lạnh độc lập và thiết kế để hoạt động ở nhiệt độ phòng. Liệu IBM có thể đạt được mục tiêu trở thành nhà sản xuất máy tính lượng tử chịu lỗi đầu tiên hay không, vẫn còn là một câu hỏi mở.