Tóm tắt nhanh
- NVIDIA và Trung tâm Siêu máy tính Jülich mô phỏng một quy trình điện toán lượng tử chịu lỗi 104 qubit trên siêu máy tính JUPITER.
- Đây là mô phỏng bằng 8.192 GPU GH200, không phải chip lượng tử 104 qubit do NVIDIA chế tạo.
- Trong mô hình nhiễu phần cứng thực tế, giao thức magic state cultivation được đánh giá là cần ít hơn tối đa 90% qubit vật lý so với phương pháp chưng cất truyền thống.
- Kết quả giúp nghiên cứu thiết kế máy lượng tử; hiệu quả trên phần cứng lượng tử thật vẫn cần được kiểm chứng.
NVIDIA và Trung tâm Siêu máy tính Jülich (JSC) đã mô phỏng quy trình điện toán lượng tử chịu lỗi 104 qubit bằng 8.192 GPU GH200 trên siêu máy tính JUPITER ở Đức. Con số 104 mô tả quy mô qubit trong mạch lượng tử được mô phỏng, không phải một bộ xử lý lượng tử do NVIDIA vừa chế tạo.
Điểm đáng chú ý nằm ở phép mô phỏng magic state cultivation trong điều kiện có mô hình nhiễu phần cứng. NVIDIA cho biết giao thức này có thể giảm tối đa 90% số qubit vật lý so với phương pháp chưng cất trạng thái ma thuật dạng chuỗi tầng trước đó. Đây là kết quả xác thực bằng mô phỏng, chưa phải bằng chứng rằng một máy lượng tử thực đã đạt mức giảm tương tự.
GPU cổ điển đang mô phỏng hoạt động của một máy lượng tử
JUPITER là siêu máy tính cổ điển tại JSC, không phải máy tính lượng tử. Hệ thống dùng các siêu chip NVIDIA GH200 để tính toán trạng thái của mạch lượng tử và cách lỗi có thể lan truyền qua những bước xử lý. Nhóm nghiên cứu cũng dùng CUDA-Q và cuQuantum để biểu diễn mạch và chạy mô phỏng.
Phân biệt này quan trọng: mô phỏng giúp nhóm nghiên cứu thử nghiệm thiết kế trước khi xây phần cứng, nhưng không đồng nghĩa các thao tác đã chạy trên qubit vật lý. Mô hình có đưa vào một số dạng lỗi như nhiễu pha kết hợp và hiện tượng rò mức, trong đó qubit siêu dẫn có thể đi ra ngoài hai trạng thái tính toán thường dùng. Mô phỏng vì vậy gần với những vấn đề phần cứng có thể gặp hơn các phép tính lý tưởng không có nhiễu, nhưng nó vẫn là một mô hình trên máy cổ điển.
Nhóm nghiên cứu mô tả quy trình bắt đầu từ mã sửa lỗi color code khoảng cách 3, dùng các phép đo cờ để phát hiện lỗi rồi mở rộng sang cấu hình lai color code/surface code khoảng cách 7. Tổng số 104 tính cả qubit dữ liệu và qubit phụ dùng trong chuỗi thao tác; không nên hiểu con số này như số qubit của một con chip thương mại.
Magic state là một khâu tốn kém trong tính toán chịu lỗi
Qubit dễ bị nhiễu từ môi trường và thao tác điều khiển, khiến lỗi tích lũy khi mạch kéo dài. Máy tính lượng tử chịu lỗi cần mã sửa lỗi để bảo vệ thông tin, nhưng những phép toán phổ dụng còn cần các trạng thái đặc biệt gọi là magic state. Các trạng thái này được chuẩn bị rồi tiêu thụ trong quá trình tính toán, nên việc tạo ra chúng với chất lượng đủ cao có thể chiếm đáng kể tài nguyên của một hệ thống lượng tử.
Magic state cultivation là một hướng tạo trạng thái đó bằng cách chuẩn bị trong một mã sửa lỗi nhỏ, kiểm tra lỗi rồi mở rộng sang mã lớn hơn. Thay vì chỉ kiểm tra số lượng qubit trên lý thuyết, mô phỏng của NVIDIA và Jülich khảo sát một chuỗi xử lý có mô hình nhiễu và rò mức. Vì vậy, kết quả có thể giúp nhà nghiên cứu xem thiết kế và chiến lược sửa lỗi phản ứng ra sao trước các dạng lỗi cụ thể.
Mốc giảm tới 90% cần được đọc đúng điều kiện: đây là so sánh của giao thức cultivation được mô phỏng với phương pháp chưng cất truyền thống, trong mô hình nhiễu phần cứng mà nhóm sử dụng. Nó không có nghĩa toàn bộ máy tính lượng tử tương lai sẽ cần ít hơn 90% linh kiện, chi phí hay qubit trong mọi kiến trúc. Nguồn công bố cũng chưa đưa ra phép thử tương ứng trên phần cứng lượng tử thực.
8.192 GPU cho thấy bài toán mô phỏng vẫn rất nặng
Trong cấu hình lớn nhất, nhóm dùng 8.192 GPU GH200 của JUPITER. Blog kỹ thuật CUDA-Q cho biết một thanh ghi mã hóa 45 bit biểu diễn khoảng 35,2 nghìn tỷ biên độ phức; riêng trạng thái ở độ chính xác kép chiếm 512 TiB bộ nhớ GPU phân tán, tương đương 64 GiB mỗi GPU, chưa tính phần cần cho giao tiếp và phân tích số liệu.
Con số bộ nhớ cho thấy vì sao mô phỏng hệ lượng tử tăng nhanh về độ khó khi số bậc tự do tăng. Nhóm phải tổ chức lại biểu diễn mạch, tái sử dụng vùng nhớ sau khi đo và giải phóng qubit, đồng thời đóng gói các hệ ba mức vào biểu diễn nhị phân để xử lý bằng thư viện GPU. Năm hệ ba mức có 243 trạng thái cơ sở, có thể đặt trong 8 bit nhị phân với 256 giá trị khả dụng; cách đóng gói này giúp tận dụng công cụ tính toán hiện có, nhưng không làm bài toán trở nên nhẹ.
Trước khi chạy quy mô lớn trên JUPITER, nhóm phát triển và kiểm tra phương pháp trên hệ thống GB200 NVL72 tại Trung tâm Nghiên cứu Lượng tử Tăng tốc NVIDIA (NVAQC), mở rộng thử nghiệm từ vài GPU lên hàng trăm GPU. NVIDIA cho biết giai đoạn này giúp rút một số công việc mô phỏng kéo dài nhiều tuần xuống còn vài ngày. Hạ tầng kép có ý nghĩa thực tế: thử nghiệm và sửa phần mềm trên hệ thống nhỏ hơn trước, rồi mới dành năng lực siêu máy tính cho phép chạy lớn.
Giá trị trước mắt là giảm bất định thiết kế, không phải ứng dụng lượng tử ngay
Mô phỏng có thể giúp nhóm thiết kế so sánh cách mã sửa lỗi và nhiễu ảnh hưởng đến quá trình tạo magic state trước khi xây phần cứng. Đây là bước hữu ích vì thử nghiệm trực tiếp trên máy lượng tử thật tốn kém và bị giới hạn bởi quy mô cũng như chất lượng qubit hiện có. Tuy vậy, một mô phỏng chính xác vẫn không thay thế được thí nghiệm trên thiết bị thật: những sai khác giữa mô hình và hành vi thực tế chỉ lộ ra khi giao thức được triển khai và đo đạc trên phần cứng.
Vì vậy, các lĩnh vực như khám phá thuốc, mô hình tài chính hay khoa học vật liệu mới là những ứng dụng được NVIDIA nêu như mục tiêu dài hạn của điện toán lượng tử hữu dụng, không phải kết quả mà phép mô phỏng này đã tạo ra. Ý nghĩa hiện tại nằm ở việc cung cấp thêm dữ liệu để đánh giá kiến trúc và chi phí sửa lỗi. Bước kế tiếp cần theo dõi là liệu mức tiết kiệm qubit trong mô hình có được xác nhận khi chạy trên bộ xử lý lượng tử vật lý hay không.
Nguồn tham khảo: NVIDIA Newsroom; NVIDIA CUDA-Q; Quantum Computing Report; TechRadar.
