IBM công bố chip lượng tử Nighthawk r3 520 qubit cho năm 2027

IBM đã công bố Nighthawk r3, bộ xử lý lượng tử (quantum processor) thế hệ tiếp theo với 520 qubit, như một bước tiến tới hệ thống lượng tử chịu lỗi (fault-tolerant) mà hãng dự kiến ra mắt vào năm 2029.

Đây là phiên bản kế nhiệm của Nighthawk r2, mẫu chip mới chỉ được đưa vào sử dụng từ tháng 9 với 120 qubit, có khả năng xử lý các mạch (circuit) gồm 7.500 phép toán lượng tử. Theo IBM, Nighthawk r3 sẽ có số qubit nhiều gấp hơn bốn lần và thực thi được 10.000 phép toán lượng tử, cho phép giải quyết những bài toán lớn và phức tạp hơn mà vẫn giữ nguyên tốc độ và độ chính xác.

Ghép hai chip thành hệ thống 1.040 qubit

Nighthawk r3 dự kiến ra mắt vào năm 2027. Cũng trong năm đó, IBM có kế hoạch liên kết hai bộ xử lý lượng tử thành một hệ thống duy nhất với hơn 1.000 qubit.

Chip mới sẽ có 10 kết nối chip-to-chip (liên kết giữa các chip) mang tên l-coupler, được thiết kế để nối các bộ xử lý lại với nhau, tạo nên một hệ thống 1.040 qubit. Công nghệ này đã được thử nghiệm trên các bộ xử lý Nighthawk r1.

Theo IBM, các ứng dụng ngày càng cần những mạch thực thi hàng nghìn phép toán lượng tử trên khoảng 100 qubit trở lên, qua đó tăng tốc việc thu thập hàng triệu đến hàng tỷ mẫu cần thiết để thực hiện các phép tính phức tạp. Tốc độ quyết định liệu những khối lượng công việc nặng như vậy có thể hoàn thành trong khung thời gian thực tế và với chi phí hợp lý hay không.

Hướng tới Starling năm 2029

IBM trước đó đã vạch ra mục tiêu đạt được vùng sửa lỗi (error correction) đáng tin cậy vào năm 2029 với bộ xử lý lượng tử có mật danh Starling. Hiện hãng đặt tham vọng biến đây thành máy tính lượng tử chịu lỗi đầu tiên trên thế giới, có khả năng chạy các mạch lượng tử gồm 100 triệu phép toán lượng tử trên 200 qubit logic (logical qubit).

Đây là mục tiêu đầy thách thức, bởi công nghệ lượng tử chịu lỗi dường như luôn ở cách chúng ta ít nhất một thập kỷ, bất chấp nhiều đột phá và sản phẩm công nghệ đã ra đời. Tuy vậy, một số người trong ngành tin rằng khả năng có được một hệ thống hoạt động thực sự đang tăng lên, nhờ hoạt động ngày càng sôi động quanh việc chuẩn bị cho mã hóa với các thuật toán kháng lượng tử (quantum-resistant).

IBM đã trình bày khung kiến trúc cho Starling trong một bài báo năm 2025, mô tả phần cứng để triển khai mã sửa lỗi bivariate bicycle quantum low-density parity check (qLDPC). Loại mã này giúp giảm đáng kể số qubit vật lý cần thiết để lưu trữ và xử lý thông tin lượng tử so với các mã bề mặt (surface code) hiện có.

Với kiến trúc trong bài báo, IBM dự định lắp ghép Starling từ các mô-đun, mỗi mô-đun chứa một bộ nhớ lượng tử và một bộ xử lý logic (logical processing unit - LPU), cho phép thực hiện các phép toán logic trên bộ nhớ. Các mô-đun sẽ có bộ chuyển đổi vạn năng để kết nối với nhau bằng l-coupler.

Kết hợp với siêu máy tính cổ điển

IBM cũng đang chuẩn bị cho chặng đường phía trước bằng cách kết hợp các bộ xử lý lượng tử với hệ thống tính toán hiệu năng cao (HPC) cổ điển nhằm nghiên cứu phương pháp sửa lỗi lượng tử tốt hơn.

Tuần trước, Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL) tại Mỹ đã công bố một hệ thống như vậy, kết hợp IBM Quantum System Two với các bộ xử lý lượng tử Nighthawk r2 và hệ thống Umbra, sử dụng CPU Epyc thế hệ thứ 5 và bộ tăng tốc GPU Instinct MI355X của AMD.

IBM cũng có quan hệ hợp tác với Viện nghiên cứu khoa học RIKEN của Nhật Bản, theo đó một IBM Quantum System Two đã được tích hợp với siêu máy tính dựa trên kiến trúc Arm Fugaku, từng là hệ thống mạnh nhất thế giới.

Góc nhìn

Việc IBM nâng số qubit từ 120 lên 520 chỉ trong một thế hệ chip cho thấy cuộc đua lượng tử đang chuyển từ việc "đếm qubit" sang việc giải quyết bài toán sửa lỗi và liên kết nhiều chip. Với các kỹ sư phần mềm, tín hiệu đáng chú ý không nằm ở con số qubit mà ở hướng kết hợp máy tính lượng tử với HPC cổ điển: mô hình lai (hybrid) này nhiều khả năng là cách các doanh nghiệp tiếp cận năng lực lượng tử trước khi có máy chịu lỗi hoàn chỉnh.

Ở góc độ rủi ro, các tổ chức cần theo dõi tiến độ lượng tử song song với lộ trình chuyển sang mã hóa kháng lượng tử. Dù Starling còn cách vài năm và tính khả thi vẫn gây tranh cãi, việc chuẩn bị hạ tầng mật mã từ sớm là việc có thể làm ngay, không phụ thuộc vào việc máy lượng tử thực tế xuất hiện đúng hẹn hay không.