Trung Quốc tạo đột phá khi mô phỏng hóa học lượng tử trên siêu máy tính bằng trí tuệ nhân tạo

Thông thường, các mô phỏng trong nghiên cứu khoa học cần lượng sức mạnh tính toán khổng lồ và thường được thực hiện trên siêu máy tính. Tuy nhiên, có những loại nghiên cứu – chẳng hạn như mô phỏng hành vi lượng tử của các phân tử với số trạng thái tương tác tăng theo cấp số nhân – mà ngay cả siêu máy tính hiện đại cũng không thể xử lý nổi, buộc các nhà khoa học phải dùng máy tính lượng tử hoặc đơn giản hóa mô hình.

Mới đây, một nhóm nhà khoa học Trung Quốc thuộc Trung tâm Siêu máy tính Sunway đã tạo nên bước ngoặt lớn khi kết hợp mô hình AI với siêu máy tính Oceanlite để mô phỏng hóa học lượng tử ở cấp độ phân tử thực, theo báo cáo từ VastData. Đây được xem là thành tựu khoa học và công nghệ mang tính đột phá, mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu lượng tử.

Mô phỏng lượng tử – thách thức vượt quá khả năng của siêu máy tính truyền thống

Trong cơ học lượng tử, trạng thái lượng tử (quantum state) được mô tả bằng hàm sóng Ψ, thể hiện toàn bộ cấu hình có thể có của hệ lượng tử – như vị trí, spin hay mức năng lượng của các electron trong phân tử – cùng xác suất của chúng.

Vấn đề là, số trạng thái có thể tăng theo cấp số nhân theo số lượng hạt, khiến việc mô phỏng trở nên bất khả thi với các siêu máy tính thông thường.

Để giải quyết, các nhà khoa học thường sử dụng phương pháp xấp xỉ hàm sóng, giúp mô tả cấu trúc và phản ứng phân tử mà vẫn đảm bảo độ chính xác. Tuy nhiên, các phương pháp hiện nay chỉ hoạt động hiệu quả với những phân tử nhỏ, không thể mở rộng quy mô cho các hệ phức tạp hơn.

Trí tuệ nhân tạo trở thành “chìa khóa lượng tử” mới

Vài năm trở lại đây, các nhà vật lý đã đề xuất áp dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để mô phỏng các hệ lượng tử có nhiều electron tương tác mạnh — chẳng hạn những phân tử có hàng chục electron và hơn 100 quỹ đạo spin.

Giải pháp là dùng Neural-Network Quantum States (NNQS) – một dạng mô hình học sâu có thể ước lượng chuyển động và cấu hình của toàn bộ electron trong phân tử. Phương pháp này hứa hẹn kết hợp được sức mạnh mở rộng của AI với độ chính xác của mô hình lượng tử, tạo nên nền tảng nghiên cứu mới vượt xa khả năng của các kỹ thuật cổ điển.

Để mô phỏng hệ lượng tử gồm 120 quỹ đạo spin, nhóm nghiên cứu đã phát triển bộ khung NNQS riêng tối ưu cho siêu máy tính Oceanlite, vốn được trang bị bộ xử lý Sunway SW26010-Pro với 384 lõi tính toán hỗ trợ nhiều định dạng dữ liệu (FP16, FP32, FP64).

Điểm đặc biệt của SW26010-Pro là kiến trúc song song cực cao, được thiết kế cho tính toán hiệu năng cao (HPC) chứ không phải cho AI truyền thống.

Nhóm nghiên cứu đã xây dựng một mô hình giao tiếp phân cấp, trong đó các lõi quản lý đảm nhiệm điều phối dữ liệu giữa các bộ xử lý và nút mạng, còn hàng triệu lõi tính toán nhỏ (CPE) sẽ xử lý trực tiếp các phép tính lượng tử tại chỗ.

Ngoài ra, nhóm còn phát triển thuật toán cân bằng tải động (dynamic load-balancing), giúp phân phối công việc đều trên các lõi và tránh tình trạng lõi nhàn rỗi.

Hiệu suất ấn tượng và cột mốc mới cho siêu máy tính Trung Quốc

Khi chạy thử nghiệm trên 37 triệu lõi CPE, hệ thống đạt hiệu suất 92% strong scaling và 98% weak scaling, mức gần như hoàn hảo trong thế giới HPC. Điều này cho thấy nhóm phát triển đã đồng bộ tối ưu giữa phần mềm và phần cứng, một thành tựu cực kỳ đáng chú ý đối với cộng đồng siêu máy tính Trung Quốc.

Đặc biệt, đây là mô phỏng hóa học lượng tử quy mô lớn nhất từng được thực hiện bằng AI trên siêu máy tính cổ điển, với 120 quỹ đạo spin — vượt xa mọi nghiên cứu tương tự trước đây. Thành công này đánh dấu bước tiến quan trọng cho ngành AI và lượng tử của Trung Quốc.

Ý nghĩa và giới hạn của phát hiện này

Thành tựu trên chứng minh rằng mô hình NNQS có thể được ứng dụng hiệu quả trong nghiên cứu vật lý lượng tử bằng siêu máy tính hiện đại. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ mức độ hiệu quả về chi phí và năng lượng khi áp dụng trên siêu máy tính exascale như Oceanlite, bởi khối lượng tính toán và tiêu thụ điện năng là vô cùng lớn.