Một nhóm từ Trung tâm Siêu máy tính Jülich, phối hợp với các chuyên gia của NVIDIA, đã lần đầu tiên mô phỏng thành công máy tính lượng tử phổ quát với 50 qubit, sử dụng JUPITER – siêu máy tính exascale đầu tiên của châu Âu, đi vào hoạt động tại Forschungszentrum Jülich vào tháng 9 vừa qua. (exascale là tên chung cho các siêu máy tính đạt tốc độ 1 tỷ tỷ phép tính/giây)
Thành tựu này phá vỡ kỷ lục trước đó là 48 qubit, do các nhà khoa học Jülich thiết lập vào năm 2019 trên siêu máy tính K của Nhật Bản. Kết quả mới cho thấy khả năng phi thường của JUPITER và tạo ra một môi trường thử nghiệm mạnh mẽ để khám phá và kiểm chứng các thuật toán lượng tử.
Mô phỏng máy tính lượng tử rất quan trọng để phát triển công nghệ lượng tử trong tương lai. Các mô phỏng này cho phép các nhà nghiên cứu kiểm tra kết quả thực nghiệm và thử nghiệm các thuật toán mới trước khi phần cứng lượng tử đủ tiên tiến để chạy trực tiếp.
Một số ví dụ quan trọng là thuật toán lượng tử lai Variational Quantum Eigensolver (VQE), dùng để phân tích phân tử và vật liệu, và Thuật toán Tối ưu hóa Gần đúng Lượng tử (Quantum Approximate Optimization Algorithm – QAOA, cũng là một thuật toán lượng tử lai), hỗ trợ ra quyết định trong logistics, tài chính và trí tuệ nhân tạo.
Thách thức của việc mô phỏng trên máy tính cổ điển
Mô phỏng máy tính lượng tử trên hệ thống thông thường là vô cùng khó khăn. Khi số lượng qubit tăng lên, số trạng thái lượng tử khả dĩ tăng theo cấp số nhân. Mỗi qubit thêm vào đồng nghĩa với việc cần gấp đôi sức mạnh tính toán và bộ nhớ.
Một máy tính xách tay thông thường có thể mô phỏng khoảng 30 qubit, nhưng với 50 qubit, cần tới khoảng hai triệu gigabyte bộ nhớ. “Chỉ các siêu máy tính lớn nhất thế giới mới đáp ứng được nhu cầu này,” Giáo sư Kristel Michielsen, Giám đốc Trung tâm Siêu máy tính Jülich, cho biết. Mô phỏng này tái hiện chi tiết toàn bộ vật lý lượng tử phức tạp của một bộ xử lý thật, với mỗi phép toán lượng tử ảnh hưởng đến hơn 2 triệu tỷ giá trị số phức.
Bước đột phá nhờ công nghệ bộ nhớ mới
Kỷ lục này đạt được nhờ sự kết hợp giữa CPU và GPU trong chip NVIDIA GH200 Superchips, được sử dụng trên siêu máy tính JUPITER. Thiết kế này cho phép lưu trữ tạm thời dữ liệu vượt quá giới hạn bộ nhớ GPU vào CPU mà không làm giảm hiệu suất đáng kể.
Để tận dụng hệ thống bộ nhớ lai này, các chuyên gia tại NVIDIA Application Lab – một dự án hợp tác giữa Jülich Supercomputing Centre và NVIDIA – đã nâng cấp phần mềm mô phỏng Jülich Universal Quantum Computer Simulator (JUQCS) lên phiên bản JUQCS-50, giúp thực hiện các phép toán lượng tử hiệu quả ngay cả khi một phần dữ liệu được chuyển sang CPU.
Các cải tiến khác bao gồm phương pháp nén dữ liệu theo byte, giảm nhu cầu bộ nhớ lên 8 lần, và thuật toán động tối ưu hóa liên tục việc trao đổi dữ liệu giữa hơn 16.000 GH200 Superchips.
Giáo sư Hans De Raedt, tác giả chính của nghiên cứu, khẳng định: “Với JUQCS-50, chúng ta có thể mô phỏng máy tính lượng tử phổ quát với độ trung thực cao và giải quyết các vấn đề mà bộ xử lý lượng tử hiện tại chưa làm được.”
Tích hợp vào cơ sở hạ tầng lượng tử của Jülich
Các tổ chức nghiên cứu và công ty bên ngoài cũng sẽ được truy cập JUQCS-50 thông qua JUNIQ – cơ sở hạ tầng lượng tử hợp nhất của Jülich. Nó sẽ vừa là công cụ nghiên cứu, vừa là tiêu chuẩn đánh giá cho các siêu máy tính tương lai.
Dự án phát triển trong khuôn khổ Chương trình Nghiên cứu và Tiếp cận Sớm JUPITER. “Nhờ hợp tác sớm, phần cứng và phần mềm được đồng thiết kế trong giai đoạn xây dựng JUPITER, với sự phối hợp chặt chẽ giữa các chuyên gia Jülich và NVIDIA – bước quan trọng để khai thác tiềm năng đầy đủ của hệ thống exascale này,” tiến sĩ Andreas Herten, thành viên nhóm dự án JUPITER và đồng tác giả nghiên cứu, giải thích.
Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Siêu máy tính Jülich, phối hợp với NVIDIA, đã đưa điện toán cổ điển tiến lên một tầm cao mới bằng cách mô phỏng hoàn chỉnh máy tính lượng tử phổ quát 50 qubit trên hệ thống exascale đầu tiên của châu Âu, JUPITER. Ảnh: Shutterstock
Khung cảnh giữa các giá máy của JUPITER. Ảnh: Forschungszentrum Jülich
