Ba tập đoàn, tổ chức nghiên cứu của Mỹ kết hợp máy tính lượng tử với hệ thống điện toán hiệu năng cao nhằm đẩy nhanh công nghệ sửa lỗi lượng tử, hướng tới mục tiêu phát triển máy tính lượng tử có ý nghĩa khoa học vào năm 2028…

IBM, AMD và Trung tâm Khoa học Lượng tử (QSC) thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL) của Mỹ vừa công bố hợp tác phát triển một nền tảng đồng thiết kế mới, kết hợp điện toán lượng tử với điện toán hiệu năng cao (HPC). Sáng kiến này tập trung giải quyết một trong những thách thức lớn nhất hiện nay của máy tính lượng tử: sửa lỗi lượng tử và mở rộng khả năng xử lý của các hệ thống.

Theo thông cáo báo chí vừa được IBM công bố, nền tảng mới kết nối các máy tính lượng tử của IBM, trong đó có hệ thống IBM Quantum Nighthawk với bộ xử lý 120 qubit, với hệ thống điện toán hiệu năng cao (HPC) Umbra của Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL). Umbra sử dụng bộ xử lý đồ họa (GPU) AMD Instinct MI355X và bộ xử lý trung tâm (CPU) AMD EPYC thế hệ thứ 5.

Sự kết hợp này tạo ra môi trường nghiên cứu tích hợp, trong đó máy tính lượng tử đảm nhiệm các tác vụ tính toán lượng tử, còn hệ thống điện toán cổ điển cung cấp năng lực xử lý để hỗ trợ sửa lỗi, giải mã và điều phối phần mềm.

Đây được xem là bước đi quan trọng nhằm thúc đẩy quá trình chuyển công nghệ lượng tử từ những thử nghiệm trong phòng thí nghiệm sang các hệ thống có khả năng giải quyết những bài toán khoa học và công nghiệp phức tạp hơn.

SỬA LỖI LƯỢNG TỬ TRỞ THÀNH THÁCH THỨC TRỌNG TÂM

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã đạt được nhiều tiến bộ trong lĩnh vực sửa lỗi lượng tử, từ những thử nghiệm ban đầu về khả năng bảo vệ thông tin lượng tử trước nhiễu cho đến việc chứng minh ưu thế lượng tử so với các phương pháp điện toán cổ điển hàng đầu trong một số tác vụ.

Các nghiên cứu cũng cho thấy máy tính lượng tử khi kết hợp với máy tính cổ điển có thể giải quyết những bài toán có ý nghĩa thực tiễn đối với ngành công nghiệp.

Tuy nhiên, để mở rộng những thành tựu này, một trong những yêu cầu quan trọng là phải tăng cường khả năng phối hợp giữa bộ xử lý lượng tử và năng lực điện toán cổ điển. Trong đó, sửa lỗi lượng tử được xem là điều kiện thiết yếu để xây dựng những hệ thống có độ tin cậy cao.

Khác với máy tính truyền thống, thông tin lượng tử được lưu trữ trong các qubit - đơn vị thông tin cơ bản của máy tính lượng tử. Các qubit rất nhạy cảm với những tác động từ môi trường bên ngoài, khiến thông tin lượng tử dễ bị nhiễu và phát sinh lỗi trong quá trình tính toán.

Vì vậy, việc phát hiện, giải mã và khắc phục lỗi mà không làm mất đi các đặc tính lượng tử là một bài toán kỹ thuật phức tạp. Khi số lượng qubit và quy mô phép tính tăng lên, yêu cầu về năng lực xử lý để kiểm soát lỗi cũng tăng theo.

Nền tảng đồng thiết kế của IBM, AMD và ORNL được xây dựng nhằm nghiên cứu cách phối hợp hiệu quả hơn giữa hai hệ thống điện toán. Các nhà khoa học có thể đánh giá yêu cầu của từng phương pháp sửa lỗi về số lượng qubit, thời gian xử lý, số mẫu tính toán và nguồn lực điện toán cổ điển, qua đó xác định những công đoạn có thể được tăng tốc nhờ GPU và các bộ xử lý hiệu năng cao.

Ông Travis Humble, Giám đốc Trung tâm Khoa học Lượng tử thuộc ORNL, cho biết giải quyết các thách thức trong sửa lỗi lượng tử là điều kiện cần thiết để đưa máy tính lượng tử trở thành công cụ thực tiễn phục vụ nghiên cứu khoa học.

Theo ông, việc kết hợp thế mạnh điện toán hiệu năng cao của ORNL với chuyên môn của IBM và AMD sẽ tạo điều kiện thử nghiệm các phương pháp mới ở quy mô lớn, qua đó xây dựng nền tảng cho những máy tính lượng tử đáng tin cậy hơn.

HƯỚNG TỚI MỤC TIÊU 100 QUBIT LOGIC VÀO NĂM 2028

Nền tảng hợp tác mới cũng gắn với Sứ mệnh Quantum Genesis của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), chương trình đặt mục tiêu đẩy nhanh quá trình phát triển máy tính lượng tử có ý nghĩa khoa học vào năm 2028.

Thông qua cuộc thi Q Competition vừa được công bố, Bộ Năng lượng Mỹ đặt mục tiêu phát triển hệ thống có 100 qubit logic, đủ khả năng thực hiện 100.000 phép toán phức tạp vào cuối năm 2028.

Theo IBM, các thử nghiệm hiện nay của hãng đã đạt mức tối đa 70 qubit logic và 438 phép toán phức tạp. Như vậy, để tiến tới mục tiêu của chương trình, lĩnh vực điện toán lượng tử cần nâng số lượng phép toán phức tạp lên khoảng 230 lần so với mức đã đạt được trong các thử nghiệm này.

Để giải quyết khoảng cách đó, các nhà nghiên cứu sẽ tập trung phát triển những phương pháp sửa lỗi có khả năng mở rộng, đồng thời tận dụng sức mạnh của điện toán hiệu năng cao.

Các hướng nghiên cứu bao gồm mã sửa lỗi nối tầng, mã không gian - thời gian, bộ giải mã có khả năng nhận biết thuật toán, tối ưu hóa và biên dịch mạch điện tử dựa trên đặc điểm phần cứng, cũng như điều phối phần mềm. Những thành phần này sẽ được tích hợp trong một hệ thống thống nhất.

Một điểm đáng chú ý của nền tảng mới là khả năng khai thác sâu các chức năng của bộ xử lý lượng tử IBM Nighthawk. Với cấu trúc kết nối qubit theo mạng lưới vuông, tốc độ xử lý mạch cao và khả năng điều khiển xung theo thời gian thực, hệ thống cho phép các nhà nghiên cứu thử nghiệm nhiều phương pháp sửa lỗi khác nhau.

Thông qua giao diện lập trình Quantum System API, các nhà nghiên cứu có thể đo trạng thái qubit ngay giữa quá trình tính toán, phản hồi kết quả đo theo thời gian thực, kiểm soát chính xác thời điểm phát tín hiệu nhằm bảo vệ qubit trước nhiễu và truy cập trực tiếp các tín hiệu đo.

Đáng chú ý, nền tảng này còn được kết nối với Cơ sở Điện toán Lãnh đạo Oak Ridge (OLCF) tại bang Tennessee, Mỹ. Việc kết nối mở ra khả năng đưa điện toán lượng tử vào hệ sinh thái hạ tầng điện toán khoa học và AI rộng lớn hơn, thay vì phát triển các công nghệ này một cách độc lập.

Ông Jay Gambetta, chuyên gia nghiên cứu xuất sắc của IBM kiêm Giám đốc IBM Research, cho rằng câu hỏi hiện nay không còn là liệu công nghệ sửa lỗi có thể hoạt động trên phần cứng lượng tử hay không, mà là làm thế nào để tăng tốc và tối ưu hóa công nghệ này, từ đó xây dựng những hệ thống đủ năng lực hỗ trợ các nhà khoa học giải quyết những bài toán có ý nghĩa thực tiễn.

KẾT HỢP SỨC MẠNH LƯỢNG TỬ, AI VÀ ĐIỆN TOÁN HIỆU NĂNG CAO

Hợp tác giữa IBM, AMD và ORNL được xây dựng trên nền tảng những chương trình nghiên cứu chung đã triển khai trước đó.

IBM và ORNL hiện cùng tham gia Trung tâm Khoa học Lượng tử, một trung tâm nghiên cứu khoa học thông tin lượng tử quốc gia do Bộ Năng lượng Mỹ thành lập theo Sáng kiến Lượng tử Quốc gia.

Đầu năm 2026, hai bên đã công bố kết quả nghiên cứu cho thấy việc kết hợp máy tính lượng tử với siêu máy tính Frontier có thể mô phỏng các vật liệu từ tính thực tế và tính toán cấu hình phân tử của một loại vật liệu tiềm năng phục vụ sản xuất nhiên liệu nhiệt hạch.

Kỷ nguyên điện toán tiếp theo sẽ kết hợp mô hình điện toán lượng tử mới với hàng chục năm đổi mới trong hệ sinh thái phần cứng và phần mềm điện toán cổ điển. Cùng với IBM và Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, chúng tôi đang thúc đẩy một cách tiếp cận tổng thể, tích hợp bộ xử lý lượng tử, điện toán hiệu năng cao và trí tuệ nhân tạo (AI). Nền tảng đồng thiết kế này là bước tiến quan trọng hướng tới xây dựng cơ sở hạ tầng điện toán có khả năng mở rộng và hiệu quả, cần thiết để hiện thực hóa điện toán lượng tử chịu lỗi. 

Ông Mark Papermaster,  Phó Chủ tịch điều hành kiêm Giám đốc công nghệ AMD

Trong khi đó, hợp tác giữa IBM và AMD tập trung vào việc sử dụng GPU của AMD để tăng tốc công đoạn tính toán cổ điển trong phương pháp chéo hóa lượng tử dựa trên mẫu (SQD), một quy trình điện toán siêu cấp tập trung vào lượng tử. Năm 2025, hai công ty cũng đã trình diễn một thuật toán có khả năng giải mã hiệu quả lỗi lượng tử trên các chip AMD.

Với nền tảng đồng thiết kế mới, các bên sẽ tiếp tục nghiên cứu cách những thế hệ công nghệ điện toán, mạng kết nối và phần mềm mã nguồn mở của AMD có thể phát triển song hành với máy tính lượng tử.

Về dài hạn, những kết quả nghiên cứu từ nền tảng này có thể góp phần định hình lộ trình phát triển IBM Quantum Starling - máy tính lượng tử chịu lỗi đầu tiên mà IBM hướng tới xây dựng - cũng như các hệ thống siêu máy tính thế hệ mới kết hợp siêu trí tuệ (SI) với điện toán hiệu năng cao.

Thông qua sự hợp tác giữa các doanh nghiệp công nghệ và cơ sở nghiên cứu quốc gia, Mỹ đang thúc đẩy cách tiếp cận tích hợp nhằm giải quyết những giới hạn kỹ thuật của máy tính lượng tử. Đây cũng là hướng đi quan trọng để đưa công nghệ này tiến gần hơn tới khả năng ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu, hóa học, năng lượng và các lĩnh vực khoa học có yêu cầu tính toán phức tạp.