Lần đầu mô phỏng thành công máy tính lượng tử 50 qubit, thiết lập kỷ lục thế giới mới

Siêu máy tính JUPITER vừa thiết lập một cột mốc quan trọng khi mô phỏng được 50 qubit. Thành tựu này đến từ các cải tiến lớn về bộ nhớ và kỹ thuật nén dữ liệu.

Một nhóm nghiên cứu từ Trung tâm Siêu tính toán Jülich, phối hợp cùng các chuyên gia NVIDIA, đã lần đầu tái tạo thành công một máy tính lượng tử phổ quát 50 qubit trên hệ thống JUPITER — siêu máy tính exascale đầu tiên của châu Âu, chính thức vận hành từ tháng 9 tại Forschungszentrum Jülich.

Trước đó, kỷ lục 48 qubit được Jülich thiết lập vào năm 2019 trên siêu máy tính K của Nhật Bản. Thành quả mới khẳng định sức mạnh vượt trội của JUPITER, đồng thời mở ra một nền tảng thử nghiệm mạnh mẽ để kiểm chứng và phát triển các thuật toán lượng tử trong tương lai.

Việc mô phỏng máy tính lượng tử đóng vai trò lớn với sự phát triển của công nghệ lượng tử. Nó giúp các nhà khoa học kiểm tra lại kết quả thí nghiệm và thử nghiệm các thuật toán mới khi phần cứng lượng tử thực tế vẫn chưa đủ tiên tiến để vận hành những bài toán đó. Ví dụ điển hình gồm VQE (Variational Quantum Eigensolver) dùng để phân tích phân tử và vật liệu, hay QAOA (Quantum Approximate Optimization Algorithm) ứng dụng trong tối ưu hóa logistics, tài chính và AI.

Thách thức vượt giới hạn của siêu máy tính truyền thống

Tái tạo một máy tính lượng tử trên hệ thống cổ điển là nhiệm vụ cực kỳ nặng nề. Mỗi qubit tăng thêm khiến số trạng thái lượng tử cần mô tả tăng theo cấp số nhân. Khi đạt đến 50 qubit, hệ thống cần khoảng 2 petabyte bộ nhớ — tương đương hai triệu gigabyte.

“Chỉ những siêu máy tính lớn nhất thế giới mới có thể đáp ứng mức này,” Giáo sư Kristel Michielsen, Giám đốc Trung tâm Siêu tính toán Jülich, cho biết. “Điều này cho thấy sự gắn kết ngày càng chặt chẽ giữa HPC (tính toán hiệu năng cao) và nghiên cứu lượng tử.”

Mỗi phép toán lượng tử, ví dụ như thao tác trên một cổng logic, tác động đến hơn 2 triệu tỷ giá trị số phức. Những giá trị này phải được đồng bộ hóa chính xác trên hàng nghìn nút tính toán để tái hiện đúng hành vi của bộ xử lý lượng tử thực.

Bước đột phá nhờ công nghệ bộ nhớ thế hệ mới

Kỷ lục được thiết lập nhờ kiến trúc kết hợp chặt chẽ CPU–GPU trong các bộ xử lý NVIDIA GH200 Superchip của JUPITER. Thiết kế này cho phép dữ liệu vượt quá dung lượng GPU được tạm chuyển sang bộ nhớ CPU mà không gây giảm hiệu năng đáng kể.

Để khai thác hệ thống bộ nhớ lai này, nhóm NVIDIA Application Lab và Jülich đã nâng cấp phần mềm mô phỏng JUQCS. Phiên bản mới — JUQCS-50 — có khả năng thực hiện các phép toán lượng tử hiệu quả ngay cả khi một phần dữ liệu phải lưu ở CPU.

Họ cũng bổ sung kỹ thuật nén bằng mã hóa byte giúp giảm nhu cầu bộ nhớ xuống hơn 8 lần, cùng thuật toán động tối ưu hóa liên tục việc trao đổi dữ liệu giữa hơn 16.000 Superchip GH200.

“Với JUQCS-50, chúng tôi có thể mô phỏng máy tính lượng tử phổ quát với độ chính xác cao và giải những câu hỏi mà chưa hệ thống lượng tử thực nào xử lý được,” Giáo sư Hans De Raedt, tác giả chính của nghiên cứu (hiện dưới dạng preprint), chia sẻ.

Hướng tới hạ tầng lượng tử mở cho cộng đồng nghiên cứu

JUQCS-50 sẽ được cung cấp cho các viện nghiên cứu và doanh nghiệp thông qua JUNIQ — hạ tầng điện toán lượng tử tích hợp của Jülich. Công cụ này sẽ đóng vai trò vừa là nền tảng nghiên cứu, vừa là bài kiểm tra hiệu năng cho các siêu máy tính tương lai.

Dự án được phát triển trong khuôn khổ chương trình JUPITER Research and Early Access Program (JUREAP). “Việc hợp tác sớm giữa các chuyên gia Jülich và NVIDIA trong suốt giai đoạn xây dựng JUPITER cho phép đồng thiết kế phần cứng – phần mềm ngay từ đầu, một bước quan trọng để khai thác tối đa sức mạnh của hệ thống exascale này,” tiến sĩ Andreas Herten, thành viên dự án, cho biết.