Nhật Bản tiến xa trong cuộc đua lượng tử với máy tính lượng tử bán dẫn lớn nhất thế giới

Máy tính lượng tử sử dụng các hạt hạ nguyên tử, hay còn gọi là qubit, để tăng khả năng xử lý dữ liệu. Hiện có nhiều loại phần cứng được dùng để xây dựng máy tính lượng tử, trong đó máy tính lượng tử siêu dẫn là loại phổ biến nhất. Một số công ty như Google, IBM và Rigetti đang dẫn đầu trong lĩnh vực này, theo Euronews.

Số lượng qubit càng lớn, tiềm năng xử lý của máy càng cao. Tuy nhiên, để xây dựng hệ thống lượng tử thực sự hiệu quả, những yếu tố khác như nhiễu và khả năng giảm thiểu lỗi cũng đóng vai trò thiết yếu.

Hệ thống mới của RIKEN và Fujitsu đạt 256 qubit – vượt xa Sycamore của Google (70 qubit). Dù IBM đã phát triển bộ xử lý lượng tử Condor với 1.121 qubit, nhưng sản phẩm này chưa được cung cấp rộng rãi cho khách hàng bên ngoài.

Giới chuyên môn cho rằng để khai thác tối đa tiềm năng của máy tính lượng tử, cần tới một triệu qubit.

TĂNG MẬT ĐỘ GẤP 4 LẦN

Không chỉ phát triển hệ thống với số qubit thuộc hàng lớn nhất, các nhà nghiên cứu còn thành công trong việc tăng mật độ qubit lên gấp bốn lần bằng cách tích hợp 256 qubit vào cùng một không gian vỏ máy trước đây chỉ chứa 64 qubit.

Họ cho biết thành công này là nhờ kết hợp công nghệ tích hợp mật độ cao và thiết kế nhiệt tiên tiến. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã lắp ráp các “ô đơn vị” gồm 4 qubit đặt cạnh nhau và liên kết chúng theo cấu trúc ba chiều – gọi là kết nối 3D.

“Nhờ cấu trúc này, chúng tôi có thể mở rộng chip lượng tử mà không cần thay đổi thiết kế. Chúng tôi có thể chế tạo chip với kích thước bất kỳ bằng cách sử dụng cấu trúc kết nối ba chiều”, ông Yoshiyasu Doi, nhà nghiên cứu cao cấp tại Trung tâm Hợp tác RIKEN RQC-FUJITSU, chia sẻ với giới báo chí.

Tập đoàn công nghệ Fujitsu cho biết kỹ thuật này cho phép mở rộng số lượng qubit một cách hiệu quả mà không cần tái thiết kế phức tạp.

“Chúng ta cần phát triển công nghệ lượng tử từng bước một. Để giải quyết các bài toán thực tế, cần xây dựng hệ thống với một triệu qubit”, ông Yoshiyasu Doi nói thêm.

Máy tính lượng tử cần vận hành trong điều kiện cực lạnh. Các qubit có kích thước lớn thường tạo ra nhiều nhiệt, nên đòi hỏi nhiều không gian hơn.

Hệ thống 256 qubit mới được thiết kế tại Trung tâm Hợp tác RIKEN RQC-FUJITSU ở Wako, Nhật Bản, đi kèm hệ thống làm mát có thể đạt nhiệt độ 20 millikelvin – gần bằng không độ tuyệt đối, mức lạnh nhất trong tự nhiên.

“Vấn đề nhiệt là một trong những thách thức lớn khi tích hợp nhiều thành phần. Trong thiết kế mới, chúng tôi đã giảm được hơn 60% công suất của bộ khuếch đại. Cân bằng nhiệt là yếu tố then chốt để xây dựng hệ thống lượng tử quy mô lớn”, ông Doi nói.

Trong quá trình xây dựng hệ thống lượng tử, mỗi qubit đều cần có cổng đầu vào và đầu ra. Khi số lượng qubit tăng lên, việc mở rộng quy mô sẽ đòi hỏi hệ thống đóng gói phức tạp hơn, nhiều cáp kết nối hơn và hạ tầng làm lạnh sâu (cryogenic infrastructure) để duy trì hoạt động ổn định.

“Một trong những bước tiến quan trọng mà Fujitsu đang chứng minh là nâng mật độ kết nối cáp lên mức cao hơn”, ông Jonathan Burnett, Phó Giám đốc nghiên cứu tại Trung tâm Máy tính Lượng tử Quốc gia Anh, chia sẻ.

Ông Burnett cho biết, trong khi các doanh nghiệp Hoa Kỳ như IBM và AWS đã phát triển hệ thống tích hợp cáp mật độ cao tương tự, hiện tại chưa có nhóm nghiên cứu nào ở châu Âu triển khai hệ thống đạt đến mật độ cáp như của Fujitsu.

“Trên bình diện toàn châu Âu, đây sẽ là bước tiến đáng kể”, ông Burnett nhận định.

MỤC TIÊU 1.000 QUBIT VÀO NĂM 2026

Fujitsu cho biết họ đang hướng tới mục tiêu cho ra đời máy tính lượng tử 1.000 qubit vào năm 2026.

“Máy tính 1.000 qubit sẽ là thiết bị tiêu tốn rất nhiều chi phí. Vì vậy trước tiên, chúng tôi phải phát triển công nghệ để xây dựng hệ thống lớn như vậy… Nhờ thiết kế có mật độ cao như hiện nay, chúng tôi có thể mở rộng quy mô lên 1.000 qubit”, ông Yoshiyasu Doi khẳng định.

Theo chuyên gia, việc mở rộng quy mô là yếu tố then chốt để khai thác hiệu quả tiềm năng của máy tính lượng tử siêu dẫn.

“Khi mở rộng quy mô, bạn sẽ bắt đầu gặp phải những vấn đề mới – những vấn đề chỉ xảy ra khi bạn cố gắng thực hiện 10 thứ cùng lúc, và sẽ không bao giờ xuất hiện nếu bạn chỉ làm việc với quy mô nhỏ hơn”, ông Burnett phân tích. “Điều đáng chú ý là Fujitsu đang phải đối mặt với những vấn đề thực sự về quy mô, một phần tất yếu khi vận hành số lượng qubit lớn”.

Tuy nhiên, các chuyên gia cũng nhấn mạnh rằng chất lượng của qubit quan trọng không kém số lượng.

MỞ CỬA CHO TỔ CHỨC NGHIÊN CỨU VÀ DOANH NGHIỆP TOÀN CẦU

Hệ thống máy tính lượng tử 256 qubit mới hiện có thể được truy cập thông qua nền tảng đám mây, cho phép các công ty và viện nghiên cứu trên toàn thế giới chạy phép tính phức tạp.

“Đây là nền tảng lượng tử kết hợp, sử dụng cả máy tính lượng tử thật và trình mô phỏng lượng tử. Chúng tôi cung cấp hệ thống này cho khách hàng và đơn vị hợp tác, bao gồm viện nghiên cứu trên toàn cầu”, ông Doi nói.

Fujitsu cho biết hiện công ty đang hợp tác với bốn doanh nghiệp tại Nhật Bản, hoạt động trong nhiều lĩnh vực từ tài chính đến hóa chất, và có kế hoạch mở rộng quan hệ đối tác ra quốc tế. Một số quan hệ hợp tác khác đã được thiết lập, nhưng công ty chưa tiết lộ chi tiết vì lý do bảo mật.

Máy tính lượng tử được kỳ vọng sẽ mang lại đột phá trong nghiên cứu dược phẩm, tài chính và phát triển vật liệu mới nhờ khả năng tính toán vượt trội.

Tuy nhiên, toàn ngành đều thống nhất rằng hành trình hướng đến máy tính lượng tử thực sự hữu ích vẫn còn dài. Một triệu qubit thường được xem là mốc quan trọng để đạt đến khả năng tính toán lượng tử quy mô lớn và chống lỗi (fault-tolerant), có thể giải bài toán thực tiễn và phức tạp.

Năm 2023, Vương quốc Anh công bố nhiệm vụ Lượng tử số 1 như một phần của lộ trình quốc gia nhằm phát triển máy tính lượng tử hữu dụng. Theo đó, cần khoảng một triệu qubit vật lý để chạy thuật toán thực tế như Shor – một chuẩn tham chiếu phổ biến trong ngành.

Tuy nhiên, các hệ thống nhỏ hơn được xem là bước đệm cần thiết.

“Chúng ta phải tiến từng bước với công nghệ lượng tử. Để giải quyết bài toán thực tế, chúng ta cần xây dựng hệ thống một triệu qubit. Và theo nghĩa đó, việc phát triển hệ thống 1.000 qubit là một trong những bước đi quan trọng”, ông Doi khẳng định.