Oak Ridge thử nghiệm sửa lỗi qubit trên hệ thống lai lượng tử - HPC

Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) vừa công bố một hệ thống chuyên phục vụ nghiên cứu sửa lỗi lượng tử (quantum error correction), kết hợp bộ xử lý lượng tử của IBM với hạ tầng tính toán hiệu năng cao (HPC - high-performance computing) dùng silicon AMD.

Hệ thống này do Trung tâm Khoa học Lượng tử (QSC) tại ORNL, đơn vị được Bộ Năng lượng Mỹ (DoE) tài trợ, giới thiệu và gọi là nền tảng đồng thiết kế (co-design platform) cho sửa lỗi lượng tử, nối liền công nghệ lượng tử với HPC.

Vì sao sửa lỗi là bài toán sống còn

Theo ORNL, hệ lượng tử chịu lỗi (fault-tolerant) vẫn luôn bị cho là còn cách ít nhất một thập kỷ, nhưng lĩnh vực sửa lỗi lượng tử đã có những bước tiến đáng kể trong vài năm qua. Trong đó có các thử nghiệm ban đầu về việc bảo vệ thông tin lượng tử khỏi nhiễu môi trường — tác nhân có thể phá hủy trạng thái lượng tử mong manh cần cho tính toán.

"Giải quyết các thách thức của sửa lỗi lượng tử là điều thiết yếu để biến điện toán lượng tử thành công cụ thực tiễn cho khám phá khoa học, một ưu tiên của Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge," ông Travis Humble, giám đốc QSC, cho biết.

Ông Jay Gambetta, IBM Fellow và giám đốc IBM Research, khẳng định vấn đề không còn là sửa lỗi có hiệu quả hay không, mà là làm sao tăng tốc và tối ưu nó để xây dựng hệ thống các nhà khoa học có thể dùng cho những bài toán khó. Ông nói nền tảng đồng thiết kế mới cho phép đánh giá nhiều hướng tiếp cận khác nhau và xác định kiến trúc, phần mềm, quy trình nào có thể mở rộng quy mô.

Cấu hình hệ thống

Nền tảng mới của ORNL gồm hai phần chính:

• IBM Quantum System Two, trang bị bộ xử lý lượng tử Nighthawk r2 mới nhất với 120 qubit.
• Umbra, hệ thống HPC cổ điển chạy trên CPU AMD Epyc thế hệ thứ 5 và bộ tăng tốc GPU Instinct MI355X.

Theo AMD, CPU đảm nhận vai trò điều phối và hiệu năng tính toán đa dụng cần thiết để phối hợp toàn bộ hệ thống, còn GPU tăng tốc mô phỏng, tối ưu hóa và các phép tính khoa học song song bao quanh khối lượng công việc lượng tử.

Hệ thống còn có các SoC AMD Versal, cung cấp khả năng điều khiển, đọc và giải mã (decoding) độ trễ thấp cho mạch lượng tử.

ORNL cho biết sự kết hợp này gom toàn bộ hạ tầng tính toán cần cho sửa lỗi lượng tử vào một môi trường duy nhất và mở cửa cho nhiều nhà nghiên cứu hơn bao giờ hết. Họ sẽ dùng nó để phát triển và kiểm chứng thuật toán, quy trình và ứng dụng lượng tử trong một môi trường được xây cho siêu máy tính lấy lượng tử làm trung tâm (quantum-centric supercomputing) — mô hình đang nổi lên, trong đó QPU, CPU và GPU phối hợp như một hệ thống thống nhất.

Hướng tiếp cận sửa lỗi phân cấp

IBM cho biết một hướng đầy hứa hẹn mà nền tảng đồng thiết kế có thể khám phá là sửa lỗi phân cấp (hierarchical error correction): dùng một mã bên trong để bảo vệ các qubit trong một mô-đun, trong khi một mã bên ngoài bao quanh các qubit logic của mã trong và thêm một lớp bảo vệ thứ hai.

Nghiên cứu của IBM gợi ý cách tiếp cận này có thể đạt tới một nghìn tỷ phép toán logic ở tỷ lệ lỗi vật lý một phần nghìn. Các mã phân cấp này phụ thuộc vào năng lực tính toán cổ điển mạnh, và theo IBM, nền tảng đồng thiết kế sẽ cho các nhà nghiên cứu nơi thử nghiệm và phát triển những ý tưởng đó với GPU trong môi trường độ trễ thấp.

Nền tảng này nhiều khả năng đóng vai trò then chốt trong các mục tiêu của Sứ mệnh Quantum Genesis thuộc DoE. Trong số đó có Q Competition vừa công bố — sáng kiến nhằm tạo ra hệ thống với 100 qubit logic có khả năng thực hiện hàng trăm triệu phép toán chịu lỗi. Sáng kiến này nối tiếp một sắc lệnh hành pháp của Tổng thống Trump về việc phát triển một hệ thống lượng tử hoàn chỉnh vào năm 2028.

Góc nhìn

Với các kỹ sư và doanh nghiệp Việt Nam, đây là tín hiệu rõ ràng rằng tương lai gần của điện toán lượng tử không chỉ phụ thuộc vào số lượng qubit, mà vào khả năng phối hợp giữa QPU với hạ tầng HPC cổ điển. Mô hình "lai" này cho thấy kỹ năng về tối ưu hiệu năng, lập trình song song trên GPU và xử lý độ trễ thấp vẫn là nền tảng cần thiết ngay cả khi làm việc với công nghệ lượng tử.

Việc ORNL đưa hệ thống ra dùng chung cho nhiều nhà nghiên cứu cũng nhắc rằng năng lực lượng tử đang dần dịch chuyển từ phòng thí nghiệm độc quyền sang dạng nền tảng truy cập được. Các nhóm nghiên cứu và công ty công nghệ trong nước nên theo dõi sát các hướng tiếp cận sửa lỗi và mã hóa phân cấp như một chỉ báo về kiến trúc phần cứng, phần mềm mà các hãng lớn sẽ chuẩn hóa trong vài năm tới.