IBM ra mắt chip lượng tử Nighthawk r3, tham vọng vượt 1.000 qubit năm 2027

IBM vừa công bố bộ xử lý lượng tử thế hệ tiếp theo IBM Quantum Nighthawk r3, được thiết kế để thực thi chính xác 10.000 phép toán lượng tử trên 520 qubit, hướng tới những bài toán lớn và phức tạp hơn. Thông tin được đưa ra ngày 11/11/2026 từ trụ sở IBM tại Yorktown Heights, New York.

Bộ xử lý lượng tử IBM Quantum Nighthawk

Điểm đáng chú ý nhất trong lộ trình của IBM: vào năm 2027, hãng dự kiến ghép hai bộ xử lý Nighthawk r3 thành một hệ thống duy nhất với hơn 1.000 qubit.

Tốc độ và chất lượng song hành

Theo IBM, để đạt tới giới hạn của điện toán lượng tử, các ứng dụng có giá trị thực tiễn cần đồng thời cả chất lượng tính toán lẫn tốc độ. Tốc độ quan trọng vì máy tính lượng tử trả kết quả dưới dạng mẫu (sample): mỗi lần chạy một mạch lượng tử (quantum circuit) chỉ cho ra một kết quả.

Các ứng dụng hiện nay ngày càng yêu cầu những mạch thực thi hàng nghìn phép toán lượng tử trên khoảng 100 qubit trở lên, tạo ra hàng triệu đến hàng tỷ mẫu. Quy mô và chất lượng giúp xử lý bài toán phức tạp hơn, nhưng chính tốc độ quyết định liệu các khối lượng công việc nặng này có thể hoàn thành trong khung thời gian thực tế và với chi phí hợp lý hay không.

"Điện toán lượng tử hữu ích phụ thuộc vào việc kết quả có được đưa ra với độ chính xác và tốc độ hay không, cả hai đều là yếu tố nền tảng", ông Jay Gambetta, Giám đốc IBM Research và IBM Fellow, nhận định. "Nighthawk đang cho chúng ta thấy điều đó ngay hôm nay. Khi mở rộng kiến trúc này lên những máy tính lượng tử lớn và mạnh hơn, năng lực tính toán lượng tử sẽ đạt tới tầm cao mới."

Nighthawk r2: tốc độ cho khối lượng công việc thực tế

Ra mắt hồi tháng 9, IBM Quantum Nighthawk r2 đạt tới 100.000 mẫu mỗi giây, đồng thời hỗ trợ tính toán chính xác với hơn 7.500 phép toán lượng tử trên 120 qubit. Công nghệ reset qubit tốc độ cao giúp giảm mạnh thời gian chờ giữa các lần thực thi mạch, nhờ đó thu thập hàng triệu hoặc hàng tỷ mẫu cần thiết một cách hiệu quả hơn nhiều.

Bộ xử lý IBM Quantum Nighthawk r2

Tính đến nay, các khách hàng và đối tác gồm E.ON, Algorithmiq và Q-CTRL đã thực thi 34 tỷ mạch trên Nighthawk r2, ghi nhận hiệu năng cải thiện tới 19 lần trong khi vẫn giữ được chất lượng cần thiết cho tính toán khoa học. Quantum Elements và ParityQC cũng nằm trong số các đối tác báo cáo cải thiện hiệu năng đáng kể trên khối lượng công việc Nighthawk r2 của mình.

Một số kết quả cụ thể:

• E.ON báo cáo tốc độ nhanh hơn 15 lần trên Nighthawk r2 trong học máy lượng tử (quantum machine learning) phục vụ tối ưu hóa lưới điện.
• IBM đạt tốc độ nhanh hơn 12 lần cho một thí nghiệm phối hợp với Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, mô phỏng vật liệu từ tính thực và cho kết quả khớp với thực nghiệm tán xạ neutron.
• Thí nghiệm mô phỏng một vật liệu lượng tử dị thể với Algorithmiq được mở rộng sang Nighthawk r2, chạy mạch nhanh hơn 8 lần so với thí nghiệm gốc trên Heron. Các mạch mới cũng khó mô phỏng bằng máy tính cổ điển hơn đáng kể, ước tính cần bộ nhớ nhiều hơn 240 lần để đạt độ chính xác tương đương khi dùng các phương pháp tensor-network cổ điển hàng đầu.

Cả hai mức tăng tốc nói trên của E.ON và IBM đều được so sánh với công trình trước đó trên IBM Quantum Heron.

Nighthawk r3: mở rộng lên hơn 1.000 qubit

Kế thừa hiệu năng của Nighthawk r2, Nighthawk r3 mở rộng kiến trúc tốc độ cao tương tự lên những cỗ máy lượng tử lớn hơn. Bộ xử lý mới được thiết kế để hỗ trợ 10.000 phép toán lượng tử trên 520 qubit lập trình được, với tổng cộng 2.034 qubit vật lý.

Chip giữ nguyên kiến trúc kết nối mạng lưới vuông (square-lattice) và các phép toán nhanh của r2, đồng thời bổ sung 10 bộ kết nối chip-với-chip gọi là l-coupler, dùng để nối các bộ xử lý thành hệ thống lớn hơn.

IBM cho biết đã trình diễn hai công nghệ then chốt cho cách tiếp cận mô-đun này. Trong năm nay, hãng đã kết nối các bộ xử lý Nighthawk r1 bằng bốn l-coupler, đạt độ trung thực truyền trạng thái lượng tử 99,3%, tiến gần mục tiêu 99,9%. IBM cũng lần đầu tiên ghép hai mô-đun lạnh (cryogenic module) vào một hệ thống, đạt nhiệt độ vận hành trong dưới 5 ngày và làm lạnh xuống dưới 15 millikelvin.

Cận cảnh bộ xử lý IBM Quantum Nighthawk r2

Lượng tử gặp cổ điển trên IBM Quantum Platform

Một điểm nhấn khác là nền tảng IBM Quantum Platform nay hợp nhất tính toán hiệu năng cao (HPC) cổ điển và lượng tử vào cùng một môi trường quản lý. Người dùng có thể tích hợp trực tiếp các luồng công việc lượng tử với nhiều nguồn tính toán cổ điển khác nhau, từ laptop cho tới siêu máy tính hoặc tài nguyên HPC cổ điển mới có trên nền tảng.

• IBM và các nhà khoa học RIKEN đã chạy quy trình chéo hóa lượng tử dựa trên mẫu (SQD) nhanh hơn khoảng 5 lần, trong khi thực hiện nhiều hơn 100 lần phép tính so với nghiên cứu gốc.
• Cleveland Clinic và RIKEN xử lý tự động 608 triệu mẫu để mô hình hóa các cấu trúc sinh học, nhanh hơn 33 lần so với khi không có tự động hóa luồng công việc.

Nền tảng cũng cung cấp khả năng điều khiển ở mức xung (pulse-level), cho phép nhà nghiên cứu kiểm soát chính xác cách phát hiện, hiểu và sửa lỗi trong cả kiến trúc lượng tử lẫn cổ điển. Gần đây, IBM ra mắt nền tảng đồng thiết kế mới về sửa lỗi lượng tử cùng Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge và AMD, đặt Nighthawk cạnh hệ thống HPC Umbra của ORNL, sử dụng GPU AMD Instinct MI355X và CPU AMD EPYC thế hệ thứ 5.

Góc nhìn

Với cộng đồng kỹ sư và doanh nghiệp Việt Nam, thông điệp thực tế nhất nằm ở việc IBM đưa lượng tử và HPC cổ điển vào chung một môi trường quản lý. Điều này cho thấy hướng đi của điện toán lượng tử không phải là thay thế hoàn toàn máy cổ điển, mà là tổ chức luồng công việc lai: phần chuẩn bị dữ liệu, hậu xử lý và sửa lỗi chạy trên hạ tầng cổ điển, còn phần cần bản chất lượng tử chạy trên máy lượng tử. Kỹ sư muốn chuẩn bị cho làn sóng này có thể bắt đầu từ việc làm quen với các thuật ngữ như mạch lượng tử, mẫu, hiệu chỉnh lỗi, đồng thời rèn kỹ năng orchestration luồng công việc trên hạ tầng đám mây và HPC.

Việc các đối tác chạy hàng chục tỷ mạch trên Nighthawk r2 nhắc rằng giá trị của máy lượng tử giờ được đo bằng tốc độ trả kết quả và chi phí trên mỗi mẫu, không chỉ bằng số qubit. Vì vậy, khi đánh giá bất kỳ nền tảng lượng tử nào, nên đặt câu hỏi về cả chất lượng lẫn thời gian hoàn thành của khối lượng công việc thực tế, thay vì chỉ nhìn vào con số qubit trên thông cáo.