Nvidia cho biết đã mô phỏng hệ điện toán lượng tử quy mô 104 qubit trên siêu máy tính JUPITER, siêu máy tính exascale đầu tiên của châu Âu đặt tại Đức, qua đó kiểm chứng một kỹ thuật có thể cắt giảm tới 90% số qubit vật lý cần cho hiệu chỉnh lỗi lượng tử. Theo công ty, việc tận dụng hạ tầng siêu máy tính GPU hiệu năng cao cho phép phân tích đặc tính lỗi của các hệ lượng tử quy mô lớn và đánh giá khả năng giảm nhu cầu phần cứng trên lộ trình hướng tới điện toán lượng tử chịu lỗi.

Theo TechRadar ngày 22/10 (giờ địa phương), mô phỏng này được nhóm nghiên cứu của Nvidia thực hiện tại Trung tâm Siêu máy tính Jülich của Đức. Nghiên cứu tập trung vào quá trình chuẩn bị “magic state” - một thành phần quan trọng phục vụ hiệu chỉnh lỗi trong bộ xử lý lượng tử.

Trọng tâm của nghiên cứu là kỹ thuật “Magic State Cultivation”. Với các bài toán phức tạp, máy tính lượng tử phải kiểm soát sai số phát sinh do nhiễu từ môi trường bên ngoài. Khi quy mô hệ thống tăng lên, việc duy trì độ chính xác ngày càng khó, vì vậy những công nghệ vừa bảo đảm độ tin cậy tính toán vừa giảm số qubit vật lý cần thiết được xem là yếu tố then chốt.

Điểm đáng chú ý của nghiên cứu lần này là mô phỏng được xây dựng với mô hình nhiễu gần với điều kiện phần cứng lượng tử thực tế, thay vì giả định môi trường lý tưởng như nhiều nghiên cứu trước đó. Cách tiếp cận này giúp đánh giá hành vi lỗi sát với thực tế hơn.

Trước đây, Jülich từng thực hiện mô phỏng ở quy mô 50 qubit trong điều kiện lý tưởng. Ở nghiên cứu mới, nhóm đã mở rộng lên 104 qubit, đồng thời đưa thêm yếu tố nhiễu thực tế để kiểm tra hiệu quả của kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi.

Theo Nvidia, Magic State Cultivation trong mô phỏng cho thấy khả năng giảm 90% tài nguyên qubit vật lý phục vụ hiệu chỉnh lỗi so với các phương pháp hiện có. Tuy nhiên, kết quả này mới dừng ở mức mô phỏng và vẫn cần được xác minh thêm trên bộ xử lý lượng tử thực.

CEO Nvidia Jensen Huang nhận định rằng để hiện thực hóa điện toán lượng tử hữu dụng, ngành này cần những hệ thống chịu lỗi có độ phức tạp cao. Ông cho rằng việc hiểu rõ cách các hệ thống như vậy vận hành ở quy mô lớn là tiền đề để triển khai trong thực tế.

Theo ông Huang, nghiên cứu tại Jülich cũng cho thấy có thể kết hợp bộ xử lý lượng tử với siêu máy tính dựa trên GPU để triển khai những hướng nghiên cứu vốn rất khó thực hiện trước đây.

JUPITER là hạ tầng tính toán chính của nghiên cứu này. Nhóm đã triển khai mô phỏng trên nền bộ xử lý Nvidia GH200 và mở rộng khối lượng tính toán lên tối đa 8.192 GPU.

Trước khi chạy mô phỏng ở quy mô lớn, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm kỹ thuật liên quan trên hệ thống GB200 NVL72 tại Trung tâm Nghiên cứu Lượng tử Tăng tốc của Nvidia. Quá trình thử nghiệm bắt đầu từ 4 GPU rồi mở rộng lên hàng trăm GPU nhằm kiểm tra hiệu năng và độ chính xác trước khi đưa tác vụ lên JUPITER.

Nvidia cho biết bước thẩm định này cũng giúp rút ngắn đáng kể thời gian tính toán. Những mô phỏng trước đây có thể mất nhiều tuần đã được rút xuống còn vài ngày, qua đó nâng hiệu quả sử dụng tài nguyên của JUPITER.

Ở lớp phần mềm, nhóm sử dụng cuQuantum và nền tảng CUDA-Q của Nvidia. Các công cụ này được dùng để triển khai mạch lượng tử, thực hiện các phép toán trong Magic State Cultivation, đồng thời mô hình hóa hành vi của hệ lượng tử lớn trên hạ tầng tính toán cổ điển dựa trên GPU.

Theo Nvidia, mô phỏng điện toán lượng tử quy mô lớn có thể được dùng để đánh giá thiết kế và thử nghiệm các phương án hiệu chỉnh lỗi trước khi chế tạo bộ xử lý lượng tử thực. Cách làm này giúp giảm gánh nặng của các thử nghiệm vật lý tốn kém ở giai đoạn đầu, đồng thời hỗ trợ ước tính quy mô phần cứng cần thiết và phân bổ tài nguyên.

Điều này đặc biệt quan trọng với các lĩnh vực đòi hỏi năng lực tính toán cao như phát triển thuốc mới hay mô hình hóa tài chính. Trong các kịch bản thương mại hóa điện toán lượng tử, bên cạnh việc mở rộng quy mô tính toán, khả năng kiểm soát lỗi cũng là điều kiện bắt buộc. Nếu số qubit vật lý dành cho hiệu chỉnh lỗi được cắt giảm, gánh nặng phần cứng khi xây dựng hệ thống sẽ giảm theo.

Dù vậy, kết quả lần này được rút ra từ mô phỏng trên hạ tầng tính toán cổ điển, không phải từ bộ xử lý lượng tử thực. Vì thế, việc liệu mức tiết giảm tài nguyên quan sát được trong mô phỏng có thể tái lập trên phần cứng lượng tử hay không vẫn cần thêm kiểm chứng.

Theo đánh giá từ nghiên cứu, Magic State Cultivation chưa đồng nghĩa với việc điện toán lượng tử thực dụng đã hoàn thiện. Tuy nhiên, kết quả này cho thấy vai trò của siêu máy tính GPU trong quá trình thiết kế và kiểm chứng các công nghệ hiệu chỉnh lỗi cho hệ lượng tử quy mô lớn.