IBM hé lộ tủ làm lạnh 'hầm đông lạnh' giúp máy tính lượng tử mở rộng quy mô

IBM vừa trình làng thiết kế tủ lạnh cryostat dạng mô-đun mới, đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc nhân bản sức mạnh tính toán lượng tử. Với khả năng kết nối nhiều tủ qua 'đường hầm đông lạnh', công ty kỳ vọng sẽ vượt qua giới hạn về số qubit trên một chip đơn lẻ, mở đường cho những cỗ máy lượng tử mạnh mẽ hơn bao giờ hết.

Các máy tính lượng tử hoạt động dựa trên qubit – những nguyên tử hoặc mạch điện được đặt trong trạng thái xác suất, cho phép chúng lưu trữ đồng thời giá trị 0 và 1. Tuy nhiên, để duy trì trạng thái này, các qubit của IBM phải hoạt động ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối, đòi hỏi hệ thống làm lạnh cực kỳ phức tạp và tốn kém.

Hai tủ cryostat mô-đun của IBM chứa các hệ thống máy tính lượng tử

Từ hình trụ cồng kềnh đến tủ lạnh thông minh

Trước đây, IBM sử dụng các buồng lạnh hình trụ, to và tròn để chứa chip lượng tử. Nay, công ty đã thiết kế lại thành các tủ cryostat hình chữ nhật, mô-đun với kích thước lớn gấp ba lần tủ lạnh gia đình. Được làm từ khung và tấm nhôm đặc, mỗi tủ cung cấp khoảng 0,53 mét vuông diện tích đi dây và 2,75 mét khối thể tích buồng chân không – đủ không gian để chứa các bộ xử lý đơn lớn hơn và cấu hình hệ thống dày đặc hơn.

“Thiết kế mới này là nền tảng có thể tái sử dụng cho các thế hệ phần cứng lượng tử tương lai,” IBM cho biết, nhấn mạnh rằng các máy tính lượng tử sẽ trở nên bớt “kỳ lạ” và rẻ hơn để vận hành.

Đường hầm đông lạnh – Chìa khóa kết nối qubit

Một trong những thách thức lớn nhất của IBM là việc mở rộng số qubit trên một chip đơn lẻ đã đạt giới hạn vật lý. Thay vì cố nhồi nhét thêm qubit, công ty chuyển hướng sang kết nối nhiều bộ xử lý lượng tử để mỗi bộ xử lý đảm nhận các phần khác nhau của một tác vụ.

Tuy nhiên, các tủ lạnh hình trụ hiện tại của IBM đòi hỏi “các kết nối dài và nhiễu giữa các bộ xử lý”. Nhiễu là kẻ thù số một của máy tính lượng tử, có thể phá hủy trạng thái chồng chập và làm hỏng toàn bộ phép tính. Để giải quyết, các tủ mới được trang bị các lỗ mở để luồn “cáp lượng tử”, được bảo vệ bởi “nhiều lớp chắn nhiệt” tạo thành một đường hầm đông lạnh (cryogenic tunnel) được bảo vệ giữa các hệ thống.

Nhiệt độ bên trong đường hầm này được duy trì ở mức cực thấp, giúp giảm thiểu trục trặc và cải thiện khả năng chịu lỗi (fault tolerance) của máy tính lượng tử.

Tương lai của các trung tâm dữ liệu lượng tử

Thiết kế mới này của IBM giống như sự chuyển đổi từ các máy tính mainframe cồng kềnh sang các rack server chuẩn hóa trong trung tâm dữ liệu hiện đại. Việc tạo ra các tủ lạnh cryostat có thể kết nối linh hoạt với nhau, cùng hệ thống cáp ngắn và gọn gàng, sẽ giúp việc triển khai và bảo trì các hệ thống lượng tử trở nên thực tế hơn trong môi trường doanh nghiệp.

Với bước tiến này, IBM không chỉ hướng đến việc xây dựng những cỗ máy lượng tử lớn hơn mà còn đang chuẩn bị hạ tầng cho một kỷ nguyên mới, nơi máy tính lượng tử không chỉ là “hype” của giới nghiên cứu mà trở thành công cụ thực thụ, song hành cùng AI trong việc tạo ra những đột phá khoa học.