Máy tính lượng tử không cần siêu lạnh: Kim cương có thể đưa quantum computer xuống một rack server

Máy tính lượng tử thường gắn với hình ảnh những “chùm đèn” vàng khổng lồ của tủ lạnh pha loãng, nơi chip phải được hạ xuống nhiệt độ chỉ cao hơn độ không tuyệt đối một phần rất nhỏ. Nhưng một hướng tiếp cận dựa trên kim cương đang cho thấy quantum computer không nhất thiết phải sống trong môi trường siêu lạnh.

Tháng 8/2026, công ty SAXON Q của Đức công bố mở đặt hàng hệ SXQ128, một máy tính lượng tử sử dụng các tâm khuyết nitrogen-vacancy, hay NV center, trong kim cương tổng hợp. Theo hãng, hệ thống có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng, không cần thiết bị làm lạnh cryogenic hoặc hệ chân không chuyên dụng, đặt trong rack máy chủ tiêu chuẩn và cắm vào nguồn điện thông thường.

SXQ128 được SAXON Q công bố với tổng cộng 128 qubit theo kiến trúc đa lõi. Công ty cũng đã giới thiệu SXQ512 với kế hoạch giao hàng từ quý II/2027. Nếu cách tiếp cận này tiếp tục mở rộng, máy tính lượng tử có thể tiến gần hơn tới hình thái của một bộ tăng tốc gắn cạnh CPU và GPU trong trung tâm dữ liệu, thay vì là một hệ thống vật lý khổng lồ cần cả phòng thí nghiệm riêng.

Tuy nhiên, “128 qubit” ở đây cần được hiểu đúng. SAXON Q cho biết SXQ128 gồm nhiều lõi lượng tử, mỗi lõi có 8 qubit liên đới hoàn toàn với nhau. Vì vậy, không nên chỉ nhìn số qubit rồi so trực tiếp với một bộ xử lý lượng tử siêu dẫn 128 qubit có cấu trúc kết nối và đặc tính vận hành khác.

Vì sao phần lớn máy tính lượng tử hiện nay phải siêu lạnh?

Một trong những nền tảng lượng tử phổ biến nhất hiện nay là qubit siêu dẫn. Loại qubit này dựa trên các mạch điện có hành vi lượng tử khi được làm lạnh xuống mức mili-kelvin, tức chỉ cao hơn độ không tuyệt đối một phần nghìn độ.

Nhiệt là kẻ thù lớn của trạng thái lượng tử. Ở nhiệt độ cao, dao động nhiệt của môi trường có thể làm nhiễu qubit, phá hủy trạng thái chồng chập hoặc liên đới lượng tử trước khi phép tính hoàn tất. Vì vậy, hệ siêu dẫn cần tủ lạnh pha loãng lớn, nhiều tầng che chắn, dây dẫn chuyên dụng và hệ thống điều khiển phức tạp.

Đây không chỉ là vấn đề kích thước. Hệ làm lạnh làm tăng điện năng, chi phí xây dựng, bảo trì và độ phức tạp khi mở rộng số lượng qubit. Khi một máy tính lượng tử phải đi kèm một hạ tầng lớn hơn bản thân chip nhiều lần, việc đưa nó ra khỏi phòng thí nghiệm trở nên khó khăn.

Kim cương giải bài toán nhiệt theo cách khác

Kim cương được SAXON Q sử dụng không phải để làm dây dẫn hay tản nhiệt cho một qubit thông thường. Bản thân cấu trúc tinh thể kim cương là nơi chứa qubit.

Một tinh thể kim cương lý tưởng gồm mạng nguyên tử carbon rất đều. Nếu thay một nguyên tử carbon bằng nitrogen và tạo một vị trí carbon bị thiếu ngay bên cạnh, cấu trúc đặc biệt này được gọi là tâm nitrogen-vacancy. Ở trạng thái điện tích phù hợp, spin electron liên quan tới tâm NV có thể được khởi tạo, điều khiển và đọc bằng ánh sáng laser kết hợp với xung vi sóng.

Điểm quan trọng là trạng thái spin của NV center có thể duy trì đặc tính lượng tử ngay ở nhiệt độ phòng. Đây là lợi thế đã được nghiên cứu trong nhiều năm. Một bài tổng quan trên Applied Physics Reviews năm 2021 của Sebastian Pezzagna và Jan Meijer mô tả NV center như một nền tảng cho qubit trạng thái rắn có thể hoạt động ở điều kiện nhiệt độ phòng, đồng thời tổng hợp các thành phần cần thiết cho xử lý thông tin lượng tử bằng tâm màu trong kim cương.

Nói cách khác, SAXON Q không tìm cách làm cho qubit siêu dẫn chịu được nhiệt độ phòng. Hãng sử dụng một loại qubit hoàn toàn khác vốn có khả năng hoạt động trong môi trường ấm hơn.

Một nguyên tử nitrogen và một “lỗ trống” tạo ra qubit như thế nào?

Trong tâm NV, nguyên tử nitrogen nằm cạnh một vacancy – vị trí lẽ ra phải có một nguyên tử carbon. Cấu trúc này tạo ra các mức năng lượng điện tử đặc biệt bên trong vùng cấm của kim cương.

Spin electron có thể được đưa vào trạng thái xác định bằng ánh sáng, điều khiển bằng trường vi sóng và đọc thông qua tín hiệu quang phát ra từ tâm NV. Ngoài spin electron, các spin hạt nhân ở những nguyên tử lân cận cũng có thể đóng vai trò qubit bổ sung.

Đây là một trong những lý do SAXON Q xây dựng hệ thống theo kiến trúc đa lõi. Một NV center có thể đóng vai trò phần tử điều khiển hoặc giao tiếp với các spin hạt nhân xung quanh, tạo thành một thanh ghi lượng tử nhỏ. Nhiều thanh ghi như vậy sau đó được ghép thành hệ thống lớn hơn.

Đột phá không chỉ nằm ở kim cương, mà ở cách tạo khuyết tật

Ý tưởng dùng NV center cho tính toán lượng tử không mới. Thách thức lớn là chế tạo các tâm NV ở vị trí mong muốn với tỷ lệ thành công đủ cao và giữ chúng ở trạng thái điện tích thích hợp để hoạt động như qubit.

SAXON Q cho biết họ sử dụng quy trình cấy nitrogen kết hợp đồng cấy sulfur vào kim cương. Sulfur đóng vai trò hỗ trợ môi trường điện tích, giúp tăng khả năng hình thành và ổn định tâm NV mang điện tích âm cần thiết cho qubit.

Cơ sở khoa học của cách tiếp cận “charge-assisted” đã được nhóm Tobias Lühmann, Jan Meijer và Sebastian Pezzagna trình bày trong nghiên cứu đăng trên physica status solidi (a) năm 2021. Nghiên cứu cho thấy việc kỹ thuật hóa môi trường điện tích có thể cải thiện đáng kể hiệu suất tạo các tâm màu trong kim cương.

Trong thông cáo tháng 8/2026, SAXON Q tuyên bố quy trình sulfur co-implantation độc quyền của họ đạt tỷ lệ chuyển đổi thành qubit chức năng trên 85%, trong khi các phương pháp tạo NV truyền thống thường ở mức thấp hơn nhiều. Đây là thông số do công ty công bố cho quy trình thương mại hiện tại và cần được phân biệt với các kết quả trong những nghiên cứu học thuật trước đó.

Từ 4 qubit di động năm 2025 đến hệ 128 qubit

Công nghệ này đã có bước triển khai thực tế trước khi SXQ128 được công bố. Tháng 6/2025, Fraunhofer IWU tại Dresden đưa vào vận hành một máy tính lượng tử di động 4 qubit do SaxonQ cung cấp. Fraunhofer xác nhận hệ thống vận hành ở nhiệt độ phòng và các qubit được tạo trên một chip kim cương chỉ có kích thước vài milimet.

Đến tháng 8/2026, SAXON Q công bố SXQ128 và SXQ512. Theo thông số của hãng, SXQ128 có 128 qubit theo cấu trúc 16 lõi, với 8 qubit liên đới hoàn toàn trong mỗi lõi. SXQ512 dự kiến sử dụng 32 lõi với 16 qubit mỗi lõi.

SXQ128 được công bố có thể đặt trong một rack máy chủ tiêu chuẩn, dùng điện AC thông thường và không yêu cầu tủ lạnh cryogenic hay phòng chuyên dụng. Hãng cho biết hệ thống hỗ trợ Qiskit, OpenQASM và giao diện mạng để người dùng tích hợp với hạ tầng tính toán hiện có.

“Một rack server” thay đổi điều gì?

Với máy tính cổ điển, GPU không cần đứng một mình. Nó được gắn vào máy chủ và hoạt động như một bộ tăng tốc cho những tác vụ phù hợp. Một trong những viễn cảnh hấp dẫn nhất của máy tính lượng tử kim cương là QPU có thể đi theo mô hình tương tự.

Nếu một bộ xử lý lượng tử có thể sống trong cùng môi trường với CPU, GPU, bộ nhớ và thiết bị mạng, trung tâm dữ liệu không cần xây thêm một khu cryogenic riêng chỉ để vận hành QPU. Điều đó có thể giảm độ phức tạp trong lắp đặt và tạo điều kiện cho mô hình tính toán lai quantum-classical.

Ở cấp edge computing, lợi ích còn rõ hơn. Một robot, hệ thống điều khiển công nghiệp hoặc phương tiện tự hành khó có thể mang theo một tủ lạnh pha loãng. Nhưng một QPU trạng thái rắn hoạt động ở nhiệt độ phòng về nguyên tắc có thể được thu nhỏ và tích hợp gần thiết bị hơn.

Đây cũng là hướng mà Quantum Brilliance, một công ty Australia–Đức khác phát triển máy tính lượng tử NV-center trong kim cương, đã theo đuổi trong nhiều năm. Năm 2022, công ty này cùng Pawsey Supercomputing Research Centre đưa một bộ tăng tốc lượng tử kim cương hoạt động ở nhiệt độ phòng vào rack 19 inch để thử nghiệm tích hợp với siêu máy tính.

Không cần siêu lạnh không có nghĩa là không cần hệ quang học và điều khiển

Mô tả “hoạt động ở nhiệt độ phòng” rất dễ tạo cảm giác rằng chip kim cương chỉ cần cắm vào bo mạch như CPU. Thực tế hiện nay phức tạp hơn.

NV-center vẫn cần các thành phần quang học để khởi tạo và đọc trạng thái, nguồn vi sóng để thao tác spin, từ trường điều khiển, điện tử đo lường và hệ thống hiệu chỉnh. Việc loại bỏ tủ lạnh pha loãng giúp bỏ đi một trong những phần lớn và tốn kém nhất của hạ tầng, nhưng chưa biến QPU thành một con chip hoàn toàn giống CPU thông thường.

Thách thức kỹ thuật chuyển từ “làm lạnh qubit” sang các bài toán khác: tạo NV center với độ chính xác cao, điều khiển nhiều qubit đồng thời, ghép nối các lõi, tích hợp quang học, duy trì fidelity khi hệ thống lớn dần và triển khai sửa lỗi lượng tử.

128 qubit chưa nói lên toàn bộ sức mạnh

Số qubit là thông số dễ hiểu nhất nhưng cũng dễ gây nhầm lẫn nhất khi so sánh máy tính lượng tử.

Hai hệ thống cùng có 128 qubit có thể khác nhau rất lớn về topology kết nối, thời gian coherence, tốc độ cổng lượng tử, fidelity, khả năng liên đới toàn bộ qubit, cách đọc kết quả và mức overhead cần cho sửa lỗi. Với kiến trúc đa lõi của SXQ128, thông số quan trọng là mỗi lõi hiện có 8 qubit được SAXON Q mô tả là liên đới hoàn toàn.

SAXON Q công bố fidelity lên tới 99,92% cho qubit của mình. Tuy nhiên, đây là số liệu do nhà sản xuất công bố trong tài liệu thương mại. Khi đánh giá sức mạnh thực tế của SXQ128, cần có thêm benchmark độc lập và dữ liệu kỹ thuật chi tiết ở cấp hệ thống, đặc biệt đối với các thuật toán yêu cầu tương tác giữa nhiều lõi.

Công ty cũng cho biết kiến trúc sửa lỗi và logical qubit vẫn nằm trên lộ trình phát triển. Điều đó có nghĩa SXQ128 hiện chưa phải một máy tính lượng tử chịu lỗi quy mô lớn theo nghĩa mà ngành hướng tới trong dài hạn.

Vì sao kiến trúc đa lõi có thể là con đường hợp lý?

Việc tạo một chip duy nhất với hàng nghìn qubit có liên kết chất lượng cao là bài toán cực khó đối với gần như mọi nền tảng lượng tử. Một cách khác là xây nhiều mô-đun nhỏ, mỗi mô-đun được kiểm soát tốt, rồi kết nối chúng thành hệ lớn.

Cách tiếp cận này khá giống lịch sử của máy tính cổ điển. Khi tăng một lõi đơn trở nên khó khăn, ngành bán dẫn chuyển mạnh sang đa lõi, chiplet và hệ thống phân tán. Quantum computing có thể phải đi theo hướng tương tự, dù việc kết nối các trạng thái lượng tử khó hơn rất nhiều so với truyền dữ liệu số giữa CPU.

SAXON Q đặt cược vào mô hình đa lõi NV-center. Hãng đặt mục tiêu tiến tới hệ thống trên 10.000 qubit sau năm 2030 và xa hơn là các quantum co-processor có thể gắn trực tiếp vào hạ tầng trung tâm dữ liệu hoặc thiết bị nhúng.

Kim cương có thay thế qubit siêu dẫn?

Chưa có cơ sở để kết luận như vậy. Quantum computing hiện là cuộc đua của nhiều nền tảng: qubit siêu dẫn, ion bẫy, nguyên tử trung hòa, photon, spin silicon và các tâm màu trong kim cương đều có ưu và nhược điểm riêng.

Siêu dẫn có tốc độ cổng nhanh và đã xây được hệ sinh thái điều khiển lớn. Ion bẫy nổi bật ở fidelity và khả năng kết nối. Photon thuận lợi cho mạng lượng tử. Spin silicon hứa hẹn tận dụng quy trình bán dẫn. NV-center trong kim cương nổi bật ở khả năng vận hành trong điều kiện nhiệt độ phòng và độ bền của trạng thái spin.

Vì vậy, giá trị của máy tính lượng tử kim cương không nhất thiết nằm ở việc “đánh bại” mọi kiến trúc khác. Nó có thể chiếm một lớp ứng dụng riêng, nơi kích thước, độ ổn định môi trường, mức tiêu thụ năng lượng và khả năng triển khai tại chỗ quan trọng hơn việc đạt số qubit cao nhất.

Từ phòng thí nghiệm tới trung tâm dữ liệu

Sự xuất hiện của SXQ128 cho thấy một thay đổi đáng chú ý về hình thái của phần cứng lượng tử. Một máy tính lượng tử không nhất thiết phải là một hệ thống cryogenic cao nhiều mét. Với NV-center trong kim cương, QPU có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng và toàn hệ thống có thể được đóng gói theo chuẩn gần với hạ tầng máy chủ truyền thống hơn.

Nhưng đây vẫn là công nghệ ở giai đoạn sớm. Những tuyên bố về 128 qubit, fidelity và khả năng mở rộng hiện chủ yếu đến từ SAXON Q, trong khi ngành vẫn cần thêm dữ liệu benchmark độc lập và các trình diễn thuật toán thực tế để biết hệ thống này cạnh tranh đến đâu với các nền tảng lượng tử khác.

Dù vậy, ý nghĩa của hướng đi là rõ ràng: nếu quantum computer có thể bỏ tủ lạnh pha loãng và chuyển từ một “cỗ máy phòng thí nghiệm” sang một thiết bị đặt trong rack, rào cản triển khai sẽ giảm đáng kể. Kim cương vì thế có thể không chỉ là vật liệu quý – nó còn có thể trở thành một trong những vật liệu giúp máy tính lượng tử bước ra khỏi phòng thí nghiệm và tiến gần hơn tới trung tâm dữ liệu thông thường.

Nguồn tham khảo

• SAXON Q: SXQ128 và SXQ512, tháng 8/2026.
• SAXON Q: Công nghệ NV-center trong kim cương.
• Fraunhofer IWU: Máy tính lượng tử di động SaxonQ vận hành ở nhiệt độ phòng, 2025.
• Pezzagna & Meijer: Quantum computer based on color centers in diamond, Applied Physics Reviews, 2021.
• Lühmann, Meijer & Pezzagna: Charge-Assisted Engineering of Color Centers in Diamond, 2021.
• Quantum Brilliance và Pawsey: bộ tăng tốc lượng tử kim cương trong rack 19 inch, 2022.