Quantum race vẫn đếm qubit: Cuộc đua khó hơn bắt đầu khi phải sản xuất hàng triệu qubit với yield kiểu transistor

Các thông báo về quantum computer vẫn thường được tóm lại bằng một con số: hệ này có bao nhiêu qubit. Nhưng nếu máy tính lượng tử chịu lỗi thực sự cần hàng trăm nghìn hoặc hàng triệu physical qubit, việc tạo thêm một qubit trong phòng lab sẽ không còn là bài toán chính. Khi đó, câu hỏi giống ngành bán dẫn hơn: mỗi wafer cho ra bao nhiêu thiết bị dùng được, các qubit có giống nhau đủ để điều khiển hàng loạt hay không, làm sao kiểm thử chúng nhanh và làm sao nối hàng triệu đường điều khiển vào một hệ thống làm việc ở nhiệt độ gần 0 K.

Một loạt kết quả trong năm 2026 cho thấy phần “manufacturing” này đang chuyển từ lý thuyết sang một nhánh cạnh tranh riêng. Tháng 7, imec và Diraq công bố vận hành coherent một mảng tám silicon MOS spin qubit được chế tạo bằng quy trình tương thích CMOS trên wafer 300 mm. Hai tháng trước đó, imec đã dùng High NA EUV — loại lithography đang được phát triển cho các node logic tiên tiến — để tạo cấu trúc quantum dot với khe giữa các điện cực chỉ khoảng 6 nm.

Tám qubit không phải con số gây ấn tượng nếu đặt cạnh những processor superconducting hoặc neutral-atom đã có hàng trăm đến hàng nghìn qubit. Điểm khác nằm ở câu hỏi mà thí nghiệm đang trả lời: liệu qubit có thể đi qua một fab theo cách đủ lặp lại để một ngày nào đó được sản xuất như một loại device semiconductor hay không?

“Một triệu qubit” không phải một mốc chung cho mọi quantum computer

Trước hết cần tách hai khái niệm thường bị trộn vào nhau. Physical qubit là phần tử lượng tử thực trên hardware. Logical qubit là qubit được bảo vệ bằng quantum error correction, thường bằng cách phân bố thông tin lên nhiều physical qubit và liên tục đo lỗi.

Tỷ lệ giữa hai loại không cố định. Nó phụ thuộc vào chất lượng physical qubit, loại error-correcting code, topology kết nối và mức logical error mà thuật toán cần. Với surface code ở một số giả định lỗi thực tế, các nghiên cứu vẫn ước tính có thể cần hàng trăm tới hơn một nghìn physical qubit để bảo vệ một logical qubit ở mức phù hợp với những phép tính rất dài. Các code mới như quantum LDPC và những kiến trúc bosonic đang cố giảm overhead này.

Vì vậy, “hàng triệu qubit” nên được hiểu là một quy mô mà nhiều kiến trúc fault-tolerant có thể phải đối mặt, không phải quy luật rằng mọi quantum computer hữu ích đều cần đúng một triệu qubit. Paper Nature năm 2025 của Diraq và imec mô tả silicon spin qubit là một hướng đặc biệt phù hợp cho những processor có thể tiến tới hàng triệu qubit trên một chip; imec cũng dùng quy mô này khi giải thích mục tiêu của chương trình sản xuất quantum semiconductor.

Chính quantum error correction khiến manufacturing trở thành vấn đề trung tâm. Nếu một logical qubit cần rất nhiều physical qubit, không thể dựa vào cách làm “hero device” — chọn một cấu trúc đặc biệt tốt trong số ít mẫu rồi tinh chỉnh thủ công từng gate — như nhiều thí nghiệm quantum nhỏ từng làm.

Từ “hero device” sang wafer 300 mm

Silicon spin qubit hấp dẫn ở điểm hình học của nó khá gần transistor. Một electron được giữ trong quantum dot bằng các điện cực gate; trạng thái spin của electron mang thông tin lượng tử. Công nghệ này không biến transistor CMOS thông thường thành qubit, nhưng nhiều bước lithography, deposition, etch, metrology và wafer processing có thể dùng cùng loại hạ tầng mà ngành semiconductor đã tối ưu hàng chục năm.

Đây là lý do kết quả của imec và Diraq đáng chú ý hơn con số tám. Mảng tám qubit tháng 7 được chế tạo bằng cùng nền tảng 300 mm mà hai bên đã dùng cho thí nghiệm trước đó, thay vì quay lại một quy trình thủ công để làm device lớn hơn. Nhóm cho biết họ vận hành và đọc được cả tám quantum dot dưới dạng bốn cặp double-dot, đồng thời duy trì coherence cần thiết để thực hiện các phép điều khiển lượng tử.

Nền tảng này đã có một bài kiểm tra quan trọng từ năm 2025. Trong nghiên cứu trên Nature, các device hai qubit do Diraq thiết kế và imec chế tạo bằng tooling semiconductor tiêu chuẩn đạt fidelity trên 99% cho cả single-qubit và two-qubit control ở bốn device được thử, còn state preparation và measurement đạt tới 99,9%.

Nhưng con số đó cũng cho thấy khoảng cách tới mass production. Paper không nói rằng mọi qubit trên toàn wafer đều đạt fidelity trên 99%. Nhóm chọn bốn device để đo quantum chi tiết sau bước screening. Đối với một processor hàng triệu qubit, ngành sẽ cần không chỉ vài device tốt mà cả phân bố thống kê đủ hẹp để hệ điều khiển không phải “chăm sóc riêng” từng qubit.

High NA EUV xuất hiện trong quantum không phải để khoe node nhỏ

Tháng 5/2026, imec công bố quantum-dot device đầu tiên được pattern bằng High NA EUV. Hệ thống tạo được cấu trúc với khe khoảng 6 nm giữa một số gate. Đây là loại độ chính xác vốn gắn với các node logic và memory tiên tiến.

Trong spin qubit, khoảng cách này ảnh hưởng trực tiếp tới tunnel coupling giữa các quantum dot. Chênh lệch chỉ vài nanomet có thể khiến hai qubit nominally giống nhau phản ứng khác nhau. E-beam lithography rất hữu ích trong nghiên cứu vì linh hoạt, nhưng chậm và khó trở thành công cụ sản xuất hàng loạt. EUV có giá trị ở khả năng pattern cả wafer với overlay và process control mang tính công nghiệp hơn.

Trong một kiến trúc trilinear khác được imec báo cáo từ IEDM 2025, quy trình EUV cho room-temperature yield khoảng 90% trên wafer. Cần đọc con số này đúng nghĩa: đó là yield điện ở nhiệt độ phòng của test structure, không phải 90% qubit đã chứng minh coherent operation ở millikelvin. Nhưng chính phép đo kiểu wafer-level như vậy mới là bước chuyển từ vật lý thiết bị sang engineering manufacturing.

Ở quy mô lớn, yield không chỉ quyết định chi phí. Một defect ở transistor thường có thể bị loại bỏ bằng binning hoặc redundancy tùy thiết kế; trong quantum processor, một qubit lỗi nằm giữa lattice có thể phá topology mà error-correcting code giả định. Vì thế fabrication variability, defect mapping và khả năng route quanh qubit hỏng sẽ trở thành vấn đề đồng thiết kế giữa fab và quantum architecture.

Sản xuất được một triệu qubit vẫn chưa giải quyết một triệu dây điều khiển

Nút thắt tiếp theo xuất hiện ngay khi manufacturing bắt đầu thành công: wiring. Nếu mỗi qubit cần một số đường analog riêng từ thiết bị room-temperature xuống tầng millikelvin, cryostat sẽ nhanh chóng biến thành một bó cáp khổng lồ. Mỗi dây còn mang nhiệt vào vùng lạnh, đúng nơi cooling power đắt nhất.

Một paper Nature công bố cuối tháng 7/2026 bởi HRL Quantum Team minh họa hướng giải quyết khác. Nhóm tích hợp một chip điều khiển CMOS tùy biến hoạt động ở 4 K với quantum chip ở tầng millikelvin, nối hai tầng bằng ribbon cable siêu dẫn mật độ cao. Quantum chip của họ chứa 54 quantum dot có thể cấu hình thành tối đa 18 exchange-only qubit.

Điểm quan trọng không phải 18 qubit. Các tác giả xác định chính scalable control và wiring là câu hỏi chưa giải quyết khi spin qubit tăng quy mô. Hệ của họ đưa phần tạo tín hiệu điều khiển xuống 4 K, nơi cooling budget dễ chịu hơn millikelvin nhưng vẫn gần qubit hơn electronics đặt ở nhiệt độ phòng. Paper kết luận vẫn cần cải thiện interconnect có thể sản xuất, giảm công suất controller trên mỗi qubit và tăng device uniformity trước khi kiến trúc có thể tiến tới quy mô utility.

Nói cách khác, quantum scaling sẽ không có một “Moore's Law” chỉ bằng cách thu nhỏ qubit. Qubit, cryogenic CMOS, interposer, routing, readout, decoder error correction và refrigeration đều phải scale cùng nhau.

Các chính phủ đã bắt đầu tài trợ “quantum fab”, không chỉ quantum lab

Sự dịch chuyển này đã xuất hiện trong cách tiền R&D được phân bổ. Tháng 4/2026, EU khởi động SPINS, pilot line trị giá 50 triệu euro do imec điều phối với 25 đối tác, dành riêng cho semiconductor spin qubit. Mục tiêu không chỉ là tìm physics mới mà còn xây process flow, wafer-level testing, design kit và heterogeneous integration để bên ngoài có thể dùng một nền tảng sản xuất chung.

Một tháng sau, Bộ Thương mại Mỹ công bố các letter of intent trị giá tổng cộng 2,013 tỷ USD cho chín tổ chức trong quantum computing. Kế hoạch bao gồm hai quantum foundry trong nước; GlobalFoundries được dự kiến hỗ trợ 375 triệu USD để xây foundry phục vụ nhiều modality, còn IBM dự kiến nhận 1 tỷ USD để phát triển foundry wafer superconducting. Diraq cũng nằm trong danh sách với khoản dự kiến tới 38 triệu USD cho manufacturing và integration của silicon spin qubit.

Các khoản này vẫn là chương trình hỗ trợ R&D, không phải bằng chứng ngành quantum đã bước vào high-volume manufacturing. Nhưng cách gọi “foundry”, “pilot line”, “PDK” và “wafer-level” cho thấy tiêu chí thành công đang thay đổi. Khi một nền tảng quantum đi từ vài chục lên vài nghìn rồi hàng triệu device, quy trình sản xuất sẽ quan trọng không kém kỷ lục fidelity trên một qubit đơn lẻ.

Đếm qubit vẫn cần, nhưng sẽ ngày càng ít ý nghĩa nếu thiếu yield và fidelity distribution

Một chip 1.000 qubit với error rate không đủ thấp chưa chắc hữu ích hơn chip 100 qubit chất lượng cao. Một wafer có hàng nghìn cấu trúc quantum dot cũng chưa phải processor nếu chúng chưa được kết nối, calibrate, điều khiển và error-correct như một hệ thống. Vì thế so sánh quantum computer chỉ bằng qubit count vốn đã thiếu thông tin; ở giai đoạn manufacturing, nó càng thiếu hơn.

Những chỉ số sẽ đáng theo dõi hơn gồm yield ở cấp wafer, độ biến thiên threshold và tunnel coupling, phân bố fidelity thay vì chỉ giá trị tốt nhất, thời gian tune một qubit, số dây điều khiển trên mỗi qubit, công suất cryogenic electronics, tỷ lệ qubit lỗi mà architecture vẫn chịu được và cuối cùng là chi phí trên mỗi logical qubit hoạt động.

Imec và Diraq hiện mới chứng minh tám spin qubit coherent trên một quy trình 300 mm; HRL mới tích hợp một QPU tối đa 18 exchange-only qubit với controller cryogenic; SPINS cũng mới là pilot line. Khoảng cách từ đó tới hàng triệu qubit vẫn rất lớn.

Nhưng nếu quantum computer thực sự tiến tới quy mô đó, lợi thế quyết định có thể không thuộc về nhóm từng tạo ra processor có qubit count lớn nhất trong một năm cụ thể. Nó có thể thuộc về nền tảng đầu tiên học được bài học mà ngành transistor đã mất nhiều thập kỷ để hoàn thiện: không chỉ chế tạo được device tốt, mà chế tạo hàng triệu device gần như giống nhau, kiểm thử chúng bằng thống kê và kết nối chúng thành một hệ thống có thể sản xuất lặp lại.