IBM đặt mục tiêu vượt 1.000 qubit vào năm 2027 với bộ xử lý Nighthawk r3

IBM vừa công bố Nighthawk r3, bộ xử lý lượng tử dự kiến ra mắt năm 2027 với 520 qubit. Hãng lên kế hoạch kết nối hai bộ xử lý này thành một hệ thống 1.040 qubit, tạo bước đệm cho tham vọng xây dựng máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi vào năm 2029.

Qubit là đơn vị thông tin cơ bản của máy tính lượng tử. Khác với bit thông thường chỉ biểu diễn 0 hoặc 1, qubit có thể tồn tại trong trạng thái chồng chập của hai giá trị này. Tuy nhiên, tăng số qubit chưa đủ để bảo đảm khả năng tính toán hữu ích: hệ thống còn phải kiểm soát sai sót và thực hiện được những chuỗi thao tác đủ dài.

Nighthawk r2, mới được đưa vào sử dụng hồi tháng 9, có 120 qubit và hỗ trợ các mạch lượng tử gồm 7.500 phép toán. Theo IBM, Nighthawk r3 sẽ nâng số qubit lên hơn bốn lần và hỗ trợ 10.000 phép toán, đồng thời duy trì tốc độ và độ chính xác như thế hệ trước. Đây vẫn là những thông số mục tiêu của sản phẩm sắp ra mắt.

Mạch lượng tử là chuỗi thao tác được thực hiện trên các qubit để giải quyết một bài toán. IBM cho biết các ứng dụng ngày càng cần hàng nghìn phép toán trên khoảng 100 qubit hoặc nhiều hơn, cùng hàng triệu đến hàng tỷ mẫu kết quả đo. Vì thế, tốc độ thực thi ảnh hưởng trực tiếp đến việc một phép tính có thể hoàn thành trong thời gian và chi phí chấp nhận được hay không.

Nighthawk r3 sẽ có 10 kết nối liên chip mang tên l-coupler, được thiết kế để liên kết các bộ xử lý lượng tử. IBM dự kiến dùng công nghệ này để ghép hai chip thành hệ thống 1.040 qubit; trước đó, hãng đã thử nghiệm kết nối trên các bộ xử lý Nighthawk r1.

Cách tiếp cận này cho thấy IBM muốn mở rộng hệ thống bằng cách kết nối nhiều bộ xử lý, thay vì chỉ tăng quy mô của một chip riêng lẻ. Các l-coupler cũng nằm trong kiến trúc mà hãng dự định sử dụng cho hệ thống lượng tử chịu lỗi trong tương lai.

Cột mốc lớn tiếp theo trong lộ trình của IBM là Starling, dự kiến vào năm 2029. Hãng đặt tham vọng biến đây thành máy tính lượng tử chịu lỗi đầu tiên trên thế giới, có thể thực hiện mạch gồm 100 triệu phép toán trên 200 qubit logic.

Khả năng chịu lỗi nghĩa là hệ thống có thể tiếp tục tính toán đáng tin cậy nhờ phát hiện và sửa sai sót phát sinh trong quá trình vận hành. Qubit logic là đơn vị thông tin được bảo vệ bằng cơ chế sửa lỗi, thường được xây dựng từ nhiều qubit vật lý trên phần cứng. Vì vậy, con số 200 qubit logic không thể so sánh trực tiếp với 1.040 qubit của hệ thống Nighthawk r3 dự kiến.

Đây là mục tiêu đầy tham vọng, chưa phải năng lực đã được chứng minh. Khoảng cách từ việc công bố phần cứng mới đến vận hành máy tính lượng tử chịu lỗi vẫn là thách thức lớn của ngành.

Trong một công trình năm 2025, IBM đã trình bày kiến trúc Starling sử dụng một họ mã sửa lỗi lượng tử mang tên bivariate bicycle qLDPC. Có thể hiểu đây là phương pháp tổ chức thông tin và các phép kiểm tra để phát hiện, khắc phục lỗi lượng tử. Theo kiến trúc IBM đề xuất, phương pháp này giúp giảm đáng kể số qubit vật lý cần dùng so với mã bề mặt, một hướng sửa lỗi hiện có.

Starling dự kiến được lắp từ các mô-đun, mỗi mô-đun chứa bộ nhớ lượng tử và bộ xử lý logic để thực hiện thao tác trên thông tin lưu trữ. Các bộ chuyển tiếp dùng chung sẽ cho phép những mô-đun này kết nối thông qua l-coupler.

IBM cũng đang kết hợp bộ xử lý lượng tử với hệ thống tính toán hiệu năng cao, tức các cụm máy tính mạnh phục vụ tác vụ khoa học và kỹ thuật, để nghiên cứu phương pháp sửa lỗi tốt hơn.

Tuần trước, Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge tại Mỹ công bố hệ thống kết hợp IBM Quantum System Two sử dụng Nighthawk r2 với Umbra. Hệ thống Umbra được trang bị bộ xử lý trung tâm AMD Epyc thế hệ 5 và bộ tăng tốc đồ họa Instinct MI355X, loại phần cứng có khả năng xử lý song song nhiều phép tính.

Tại Nhật Bản, IBM còn hợp tác với viện nghiên cứu RIKEN để tích hợp Quantum System Two với Fugaku, siêu máy tính sử dụng kiến trúc Arm từng đứng đầu thế giới. Những dự án này cho thấy trên đường tới máy tính lượng tử chịu lỗi, năng lực tính toán truyền thống vẫn đóng vai trò hỗ trợ quan trọng.