Buzz
Để vượt qua giới hạn này, các nhà khoa học thường áp dụng phương pháp xấp xỉ hàm sóng, giúp đơn giản hóa bài toán mà vẫn bảo đảm độ chính xác cao.
Các nhà nghiên cứu Trung Quốc vừa đạt được một thành tựu quan trọng trong vật lý lượng tử khi thành công trong việc mô phỏng một hệ phân tử có 120 quỹ đạo spin sử dụng trạng thái lượng tử mạng nơ-ron (Neural Network Quantum States – NNQS) trên siêu máy tính Oceanlite. Đây được coi là phép tính hóa học lượng tử lớn nhất từng được thực hiện trên siêu máy tính cổ điển với sự hỗ trợ của AI.
Khó khăn trong mô phỏng lượng tử
Trong cơ học lượng tử, trạng thái của một hệ — được mô tả qua hàm sóng (Ψ) — xác định mọi cấu hình có thể có của hệ, bao gồm vị trí, spin và mức năng lượng của các hạt như electron trong phân tử. Tuy nhiên, việc mô phỏng hàm sóng là rất phức tạp, bởi số lượng trạng thái tăng theo cấp số nhân với số hạt, khiến ngay cả những siêu máy tính mạnh nhất hiện nay cũng khó có thể xử lý chính xác.
Để vượt qua những giới hạn này, các nhà khoa học thường áp dụng phương pháp xấp xỉ hàm sóng, giúp giảm độ phức tạp của bài toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao. Tuy nhiên, những phương pháp truyền thống này chỉ có thể mở rộng cho các phân tử nhỏ, không đủ khả năng mô phỏng các hệ nhiều vật thể với sự tương quan electron mạnh.
AI mở ra cơ hội cho mô phỏng lượng tử quy mô lớn
Trong những năm gần đây, các nhà vật lý đã đề xuất ứng dụng các kỹ thuật học máy tiên tiến — đặc biệt là NNQS (Neural Network Quantum States) — để học và ước tính tất cả các cấu hình có thể của electron trong phân tử. Phương pháp này kết hợp sức mạnh mở rộng của trí tuệ nhân tạo với độ chính xác của mô hình lượng tử, mở ra một hướng đi mới cho các nghiên cứu mà phương pháp cổ điển không thể thực hiện.
Trong thí nghiệm này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một khuôn khổ NNQS riêng biệt, huấn luyện mạng nơ-ron để ước tính hàm sóng của phân tử. Hệ thống này liên tục lấy mẫu vị trí của electron, tính toán năng lượng cục bộ và điều chỉnh tham số mạng nơ-ron cho đến khi mô hình khớp với năng lượng lượng tử thực tế.
Siêu máy tính Oceanlite và cấu trúc độc đáo
Mô hình NNQS được tối ưu hóa riêng cho siêu máy tính Oceanlite, sử dụng bộ xử lý Sunway SW26010-Pro với 384 lõi, hỗ trợ các định dạng dữ liệu FP16, FP32 và FP64. Đặc biệt, bộ xử lý SW26010-Pro có kiến trúc HPC thuần túy, không giống như GPU hiện đại được tối ưu cho AI, điều này yêu cầu nhóm nghiên cứu phải thiết kế lại toàn bộ mô hình giao tiếp và xử lý dữ liệu.
Để tận dụng tối đa hiệu năng, nhóm nghiên cứu đã phát triển một mô hình giao tiếp phân cấp: các lõi quản lý điều phối giữa bộ xử lý và các nút, trong khi hàng triệu phần tử xử lý tính toán (CPE) 2-wide “nhẹ” với bộ xử lý vector 512-bit đảm nhận các phép tính lượng tử cục bộ. Đồng thời, thuật toán cân bằng tải động được áp dụng để tránh tình trạng lõi nhàn rỗi khi khối lượng công việc phân bổ không đồng đều.
Hiệu năng ấn tượng và tầm quan trọng khoa học
Với việc triển khai trên 37 triệu lõi CPE, nhóm nghiên cứu đã đạt được tỷ lệ mở rộng mạnh 92% và tỷ lệ mở rộng yếu 98%, một mức hiệu suất đáng kinh ngạc ở quy mô siêu máy tính như vậy. Thành công này chứng minh sự đồng bộ tuyệt vời giữa phần mềm và phần cứng, đồng thời khẳng định khả năng phát triển hệ thống HPC của Trung Quốc đã vươn tầm thế giới.
Không chỉ là một cột mốc quan trọng đối với ngành siêu máy tính, thành tựu này còn mở ra một hướng nghiên cứu mới cho vật lý lượng tử dựa trên AI. Tuy nhiên, các chuyên gia cho rằng cần phải đánh giá thêm về hiệu quả thực tế của việc sử dụng siêu máy tính exascale như Oceanlite cho nghiên cứu lượng tử, xét đến chi phí và năng lượng tiêu thụ.
