Thách thức thiết kế tiếp theo của bạn có thể là lượng tử

Năm 2030. Phần mềm EDA tăng cường bởi công nghệ lượng tử của bạn vừa mô phỏng một vật liệu pin mới ở cấp độ phân tử – một công việc từng mất hàng tháng, giờ chỉ mất nửa giờ. Bên kia phòng, đồng nghiệp của bạn đang sử dụng hệ thống lai giữa máy tính lượng tử và cổ điển để tối ưu hóa một bố cục RF phức tạp, đồng thời khám phá hàng triệu cấu hình khả thi. Trong khi đó, chuyên gia mật mã của nhóm bạn đang triển khai các giao thức chống lượng tử mới nhất để bảo vệ các thiết kế – vì mã hóa truyền thống không còn đủ mạnh để bảo vệ hiệu quả nữa.

Đây không phải là khoa học viễn tưởng. Đây là tương lai của ngành kỹ thuật điện tử, và nó đang đến nhanh hơn nhiều người tưởng. Máy tính lượng tử đang trên đà thay đổi cách chúng ta thiết kế, mô phỏng và bảo vệ các hệ thống điện tử. Với các kỹ sư, điều đó đồng nghĩa với việc cần chuẩn bị cho một làn sóng gián đoạn và cơ hội mới.

Nhằm ghi nhận tác động ngày càng tăng của công nghệ lượng tử, Liên Hợp Quốc đã tuyên bố năm 2025 là Năm Quốc tế về Khoa học và Công nghệ Lượng tử. Sáng kiến này sẽ thúc đẩy vai trò ngày càng lớn của lượng tử trong nhiều lĩnh vực, khuyến khích sự tham gia của công chúng và giới chuyên môn vào lĩnh vực này.

Hiểu về bước nhảy lượng tử

Để hiểu tại sao lượng tử lại quan trọng, việc so sánh nó với điện toán cổ điển sẽ giúp ích. Máy tính cổ điển sử dụng các bit chỉ có giá trị 0 hoặc 1. Máy tính lượng tử sử dụng qubit, có thể cùng lúc là 0 và 1 – một tính chất được gọi là chồng chất. Khi các qubit trở nên đan xen, trạng thái của chúng được liên kết, cho phép tính toán đồng thời trên nhiều khả năng. Những đặc điểm này làm cho máy móc lượng tử trở nên lý tưởng cho các vấn đề làm cho bộ xử lý cổ điển quá tải.

Ở trung tâm của những máy móc lượng tử này là bộ xử lý lượng tử (QPU), tương đương với CPU cổ điển. Một QPU chứa qubit cũng như điện tử điều khiển và phần cứng cổ điển cần thiết để quản lý chúng. Cùng nhau, chúng tạo thành một hệ thống chính xác có khả năng thực hiện các chỉ thị lượng tử trong khi lọc ra tiếng ồn môi trường có thể làm sai lệch trạng thái qubit mong manh.

Tại Sao Lượng Tử Quan Trọng Đối Với Điện Tử

Điện toán lượng tử đã bắt đầu tác động đến thế giới điện tử. Ba lĩnh vực thực tế nổi bật:

• Khám Phá Vật Liệu: Mô phỏng tương tác phân tử bằng công cụ cổ điển mất thời gian và thường không chính xác. Hệ thống lượng tử có thể mô hình hóa những hành vi này ở cấp độ lượng tử, tăng tốc phát triển bán dẫn, pin và các vật liệu tiên tiến khác.
• Tối ưu hóa Thiết kế: Máy tính lượng tử xuất sắc trong việc khám phá không gian giải pháp khổng lồ. Khả năng này mở ra những chân trời mới trong lĩnh vực bố trí mạch tương tự, thiết kế ô nhớ và các lĩnh vực thiết kế khác.
• An ninh và Khả năng Phục hồi: Khi máy móc lượng tử ngày càng mạnh mẽ, chúng đe dọa phá vỡ mã hóa của ngày hôm nay. Nhưng chúng cũng hỗ trợ việc tạo ra các thuật toán chống lượng tử, một số trong đó đã được nhúng vào phần cứng ngày nay.

Đua về Đích

IBM, Google và D-Wave đều đã đạt được những tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ lượng tử trong hai năm qua, với các lộ trình cạnh tranh, mục tiêu nghiên cứu táo bạo và một hệ sinh thái đối tác và khách hàng ngày càng tăng đang thử nghiệm các giải pháp lượng tử. Những công ty này đang hình thành các ngăn xếp phần mềm, mô hình truy cập đám mây và sự hợp tác nghiên cứu sẽ định hình các ứng dụng lượng tử sớm. Sự hội tụ của đổi mới, cam kết và hợp tác này đang giúp máy tính lượng tử trở nên liên quan hơn đối với các kỹ sư và nhà khoa học làm việc trong "thế giới thực", không chỉ với những người làm việc trong phòng thí nghiệm lượng tử. 

Bộ xử lý lượng tử R2 IBM Heron, được công bố vào cuối năm 2024, có 156 qubit điều chỉnh được và chạy nhanh hơn tới 50 lần so với người tiền nhiệm của nó, Heron gốc, được phát hành vào cuối năm 2023. Khi kết hợp với công cụ phần mềm mã nguồn mở Qiskit, bộ xử lý R2 Heron có thể thực hiện 5.000 hoạt động cổng hai qubit, gấp đôi so với kỷ lục trước đó (tính đến cuối năm 2024). Theo các nhà nghiên cứu của IBM, hiệu suất này chuẩn bị cho nó thực hiện các tính toán lượng tử phức tạp. 

QPU Willow của Google, được công bố vào tháng 12 năm 2024, bao gồm 105 qubit transmon siêu dẫn và đã chứng minh một cột mốc trong sửa lỗi lượng tử: tỷ lệ lỗi giảm khi thêm nhiều qubit. Willow gần đây đã hoàn thành một chuẩn mực phức tạp trong vòng chưa đầy năm phút, một nhiệm vụ mà máy tính siêu cấp cổ điển sẽ mất tới 10 septillion năm!

Khác biệt với hầu hết các đối thủ cạnh tranh, D-Wave đã chọn một hướng đi hoàn toàn khác biệt trong lĩnh vực máy tính lượng tử bằng cách tập trung vào kỹ thuật lượng tử tối ưu hóa - một phương pháp được thiết kế đặc biệt cho việc giải quyết các vấn đề tối ưu hóa. Trong khi máy tính lượng tử dựa trên cổng (như của IBM và Google) nhằm trở thành các hệ thống đa năng có khả năng chạy một loạt các thuật toán rộng lớn, các máy lượng tử tối ưu hóa như của D-Wave lại chuyên biệt hóa cao. Chúng xuất sắc trong việc tìm kiếm các giải pháp tối ưu trong không gian tìm kiếm rộng lớn và phức tạp, làm cho chúng trở nên lý tưởng cho logistics, lập lịch, học máy và mô hình hóa vật liệu.

Vào tháng 3 năm 2025, D-Wave thông báo rằng hệ thống Advantage2 của họ, được xây dựng với hơn 7,000 qubit siêu dẫn và kết nối qubit 20 hướng, đã đạt được một cột mốc quan trọng. Nó đã thành công trong việc mô phỏng một vấn đề khoa học vật liệu thách thức chỉ trong 20 phút. Một siêu máy tính truyền thống sẽ mất ước lượng một triệu năm để thực hiện công việc này. Mặc dù không ngoạn mục như các tuyên bố về sự thống trị của các hệ thống dựa trên cổng, thành tựu này đã làm nổi bật sức mạnh độc đáo của D-Wave trong việc áp dụng các công cụ lượng tử vào giải quyết các vấn đề tối ưu hóa công nghiệp thực tế.

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã công bố Zuchongzhi 3.0, một bộ xử lý lượng tử có tốc độ nhanh gấp một nghìn tỷ lần so với các siêu máy tính hàng đầu hiện nay. Với 105 qubit siêu dẫn, con chip này cho thấy, bất chấp các biện pháp trừng phạt thương mại của Mỹ, Trung Quốc là một đối thủ trong cuộc đua công nghệ máy tính lượng tử.

Ngoài những con chip và máy móc gây chú ý này, một làn sóng phát triển mới cho thấy đà tiến của lĩnh vực. Các nhà nghiên cứu đã kết nối nhiều bộ xử lý lượng tử với nhau lần đầu tiên vào đầu năm 2025, một bước tiến quan trọng hướng tới khả năng mở rộng. Cùng khoảng thời gian đó, một hệ thống lượng tử 56 qubit đã tạo ra "sự ngẫu nhiên được chứng nhận," tạo ra các số không thể dự đoán trước. Bước nhảy vọt này có thể cách mạng hóa mã hóa, mô phỏng và giao tiếp an toàn.

EDA Nhận Sự Hỗ Trợ Từ Lượng Tử

Thiết kế mạch hiệu suất cao là một trong những nhiệm vụ phức tạp nhất trong kỹ thuật điện tử. Các công cụ EDA cổ điển thường dựa vào mô phỏng với lực lượng cơ bản và kiểm tra tuần tự, có thể mất từ vài ngày, vài tuần, hoặc thậm chí vài tháng. Như được mô tả trong tình huống mở đầu, công cụ EDA được cải thiện bằng quantum hứa hẹn sẽ tăng tốc độ đáng kể bằng cách đánh giá hàng nghìn hoặc hàng triệu cấu hình có thể xảy ra cùng một lúc. Lợi thế quantum này đặc biệt hấp dẫn đối với các vấn đề như tối ưu hóa mạch analog, định tuyến bố cục, và phân phối điện năng, nơi không gian giải pháp nhanh chóng trở nên quá rộng lớn để các công cụ cổ điển có thể khám phá một cách toàn diện.

Trong khi đó, các công ty như NVIDIA và Keysight đang hợp tác với Google Quantum AI để tiến xa hơn trong mô phỏng mạch quantum quy mô lớn và phát triển các kỹ thuật mô hình mới cho các thành phần siêu dẫn. Các kiến trúc lai – kết hợp dòng chảy thiết kế cổ điển với các bộ tăng tốc quantum – đã mang lại những cải thiện đo lường được trên các nhiệm vụ được nhắm mục tiêu, đánh dấu sự chuyển từ tính mới thử nghiệm sang công cụ kỹ thuật áp dụng.

Bắt Đầu với Công Cụ Quantum

May mắn thay, bạn không cần một phòng thí nghiệm quantum để bắt đầu. Các nền tảng có thể truy cập qua đám mây cho phép kỹ sư thử nghiệm các kỹ thuật tối ưu hóa quantum và cảm hứng từ quantum mà không cần cơ sở hạ tầng chuyên biệt. IBM’s Qiskit Metal tích hợp với các công cụ EDA và mô phỏng quen thuộc, cho phép kỹ sư thiết kế phần cứng lượng tử bằng Python. Amazon Braket và Microsoft Azure Quantum cung cấp quyền truy cập đám mây đến các bộ xử lý lượng tử, bao gồm các hệ thống từ IonQ, Rigetti và D-Wave.

Đối mặt với Thách thức Thực tế

Dù có nhiều hứa hẹn, máy móc lượng tử hiện nay vẫn còn rất nhạy cảm và tốn nhiều tài nguyên. Các hệ thống qubit siêu dẫn thường yêu cầu tủ lạnh pha loãng và thiết bị chắn để duy trì nhiệt độ cực thấp gần bằng không tuyệt đối - điều kiện rất nhạy cảm với tiếng ồn môi trường. Ngay cả các bộ xử lý quy mô nhỏ cũng đòi hỏi môi trường nhiệt ổn định, kiểm soát sóng vi ba chính xác và hiệu chuẩn rộng rãi.

Những hạn chế vật lý và kỹ thuật này hạn chế khả năng tiếp cận trực tiếp với phần cứng lượng tử. Nhưng chúng cũng thúc đẩy đổi mới trong việc thu nhỏ, điện tử lạnh và thiết kế mô-đun. Các kỹ sư đang phát triển mạch CMOS lạnh, thử nghiệm với các kết nối siêu dẫn và tinh chỉnh các giao diện nối giữa lĩnh vực lượng tử và cổ điển. Có tiến triển, nhưng các hệ thống mạnh mẽ, có thể mở rộng vẫn đối mặt với những thách thức kỹ thuật đáng gờm về năng lượng, chi phí và tích hợp hệ thống.

Nơi Kỹ Thuật Tiếp Tục Phát Triển

Kỷ nguyên lượng tử sẽ không thay thế điện tử cổ điển. Nó sẽ bổ sung và tăng tốc cho nó. Đối với các kỹ sư, điều này có nghĩa là có thêm công cụ mới để giải quyết những vấn đề từng được coi là không thực tế hoặc không thể. Khi những khả năng này phát triển, những người khám phá chúng ngay bây giờ sẽ có được sự thông thạo kỹ thuật cần thiết để hình thành cách thức các khả năng lượng tử được kỹ thuật hóa vào trong các hệ thống sẽ định nghĩa lại cách chúng ta thiết kế, mô phỏng, và bảo mật điện tử trong kỷ nguyên lượng tử.