Oak Ridge kết hợp chip lượng tử IBM và siêu máy tính AMD để giải bài toán sửa lỗi qubit

Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL) của Mỹ vừa công bố nền tảng nghiên cứu kết hợp bộ xử lý lượng tử IBM với hệ thống điện toán hiệu năng cao sử dụng chip AMD. Mục tiêu không đơn thuần là tăng sức tính toán, mà là giải quyết một trong những trở ngại lớn nhất của máy tính lượng tử: giữ cho thông tin không bị sai lệch trong quá trình xử lý.

Nền tảng do Trung tâm Khoa học Lượng tử (QSC), được Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ, giới thiệu được thiết kế để các nhà nghiên cứu cùng thử nghiệm phần cứng, phần mềm và quy trình sửa lỗi. Cách tiếp cận đồng thiết kế này cho phép đánh giá các thành phần trong cùng một môi trường, thay vì tối ưu từng bộ phận riêng lẻ.

Khác với bit thông thường chỉ mang giá trị 0 hoặc 1, qubit — đơn vị thông tin của máy tính lượng tử — có thể tồn tại trong trạng thái chồng chập của hai giá trị. Đặc tính này mở ra những phương pháp tính toán mới, nhưng trạng thái lượng tử lại rất mong manh trước nhiễu từ môi trường.

Sửa lỗi lượng tử là tập hợp kỹ thuật nhằm phát hiện và khắc phục sai lệch, bảo vệ thông tin trong khi phép tính diễn ra. Đây là điều kiện quan trọng để xây dựng máy tính lượng tử chịu lỗi, tức hệ thống vẫn có thể tính toán đáng tin cậy dù các thành phần vật lý phát sinh lỗi.

Theo ORNL, lĩnh vực này đã có những bước tiến đáng kể trong vài năm qua, bao gồm các thử nghiệm ban đầu về bảo vệ thông tin lượng tử trước nhiễu. Tuy nhiên, những hệ thống chịu lỗi thực sự hữu ích vẫn còn là mục tiêu dài hạn. Giám đốc QSC Travis Humble nhấn mạnh rằng giải quyết thách thức sửa lỗi là yếu tố thiết yếu để biến điện toán lượng tử thành công cụ phục vụ khám phá khoa học.

Ở phía lượng tử, nền tảng sử dụng IBM Quantum System Two với các bộ xử lý Nighthawk r2 mới nhất, mỗi bộ xử lý có 120 qubit. Phía điện toán truyền thống là Umbra, hệ thống điện toán hiệu năng cao (HPC) trang bị bộ xử lý trung tâm AMD Epyc thế hệ thứ năm và bộ tăng tốc đồ họa Instinct MI355X.

Theo AMD, CPU đảm nhiệm điều phối và các tác vụ tính toán đa dụng, còn GPU tăng tốc mô phỏng, tối ưu hóa và những phép tính khoa học có thể thực hiện song song quanh khối lượng công việc lượng tử. Hệ thống còn tích hợp AMD Versal SoC — chip tích hợp nhiều khối chức năng — để phục vụ điều khiển mạch lượng tử, đọc kết quả đo và giải mã thông tin lỗi với độ trễ thấp. Ở đây, độ trễ thấp có nghĩa là rút ngắn thời gian từ khi nhận dữ liệu đến khi xử lý và phản hồi, một yêu cầu quan trọng đối với quy trình sửa lỗi.

Cấu hình này thể hiện mô hình siêu máy tính lấy lượng tử làm trung tâm: bộ xử lý lượng tử (QPU), CPU và GPU phối hợp như một hệ thống thống nhất. ORNL cho biết việc tập hợp hạ tầng vào cùng môi trường sẽ mở rộng cơ hội tiếp cận cho các nhà nghiên cứu phát triển và kiểm chứng thuật toán, quy trình cũng như ứng dụng.

Một hướng nghiên cứu mà IBM đánh giá có triển vọng là sửa lỗi phân cấp. Trong mô hình này, lớp mã bên trong bảo vệ các qubit thuộc một mô-đun; lớp mã bên ngoài tiếp tục bảo vệ những qubit logic được tạo ra từ lớp trong. Qubit logic là đơn vị thông tin được mã hóa trên nhiều qubit vật lý để tăng khả năng chống lỗi, thay vì phụ thuộc vào một qubit đơn lẻ.

Nghiên cứu của IBM gợi ý rằng cách tiếp cận này có thể hỗ trợ một nghìn tỷ phép toán logic khi tỷ lệ lỗi vật lý ở mức một phần nghìn. Đây là triển vọng từ nghiên cứu, không phải thành tích mà hệ thống mới tại Oak Ridge đã đạt được.

Các mã sửa lỗi phân cấp đòi hỏi năng lực tính toán truyền thống mạnh. Vì vậy, môi trường kết hợp GPU với kết nối xử lý độ trễ thấp sẽ là nơi kiểm nghiệm những ý tưởng này. Theo Jay Gambetta, lãnh đạo IBM Research, trọng tâm hiện nay không còn chỉ là chứng minh sửa lỗi có hoạt động hay không, mà là tăng tốc và tối ưu nó, đồng thời xác định kiến trúc, phần mềm và quy trình có thể mở rộng.

Nền tảng tại Oak Ridge được kỳ vọng đóng vai trò quan trọng trong các mục tiêu của chương trình Quantum Genesis Mission thuộc Bộ Năng lượng Mỹ. Trong đó, sáng kiến Q Competition mới được công bố hướng tới một hệ thống có 100 qubit logic, đủ khả năng thực hiện hàng trăm triệu phép toán chịu lỗi.

Sáng kiến này được đưa ra sau sắc lệnh của Tổng thống Donald Trump về phát triển một hệ thống lượng tử hoàn chỉnh vào năm 2028. Dù vậy, nền tảng mới trước hết vẫn là hạ tầng nghiên cứu và kiểm chứng, chưa phải tuyên bố rằng máy tính lượng tử chịu lỗi quy mô lớn đã sẵn sàng. Giá trị của nó nằm ở việc đưa phần cứng lượng tử và năng lực siêu máy tính vào cùng một vòng thử nghiệm, giúp các nhà khoa học xác định rõ hơn con đường từ qubit dễ nhiễu đến phép tính đáng tin cậy.