Trong khi cả thế giới vẫn tin rằng chỉ có máy tính lượng tử mới đủ sức giải những bài toán mô phỏng hành vi lượng tử ở cấp độ phân tử, thì các nhà khoa học Trung Quốc vừa chứng minh điều ngược lại.
Họ đã khiến giới công nghệ sững sờ khi sử dụng một siêu máy tính cổ điển – chứ không phải lượng tử – để thực hiện phép tính hóa học lượng tử phức tạp nhất từng được ghi nhận, qua đó phá vỡ giới hạn được cho là “bất khả thi” trong lĩnh vực này.
Thành tựu đến từ nhóm nghiên cứu Sunway, khi họ kết hợp trí tuệ nhân tạo với siêu máy tính Oceanlite – cỗ máy dùng kiến trúc CPU Sunway SW26010-Pro gồm 384 lõi, vốn được thiết kế cho tính toán hiệu năng cao.
Siêu máy tính Oceanlite của Trung Quốc
Bài toán mà họ chinh phục là mô phỏng trạng thái lượng tử của một hệ thống có tới 120 obitan spin, điều mà ngay cả những máy tính mạnh nhất trước đây cũng phải bó tay. Trong thế giới lượng tử, mỗi electron trong phân tử tồn tại dưới vô số trạng thái và vị trí khả dĩ, khiến không gian tính toán phình to theo cấp số nhân. Việc mô tả đầy đủ hàm sóng (wavefunction) của hệ lượng tử như vậy được xem là không thể thực hiện bằng máy tính cổ điển.
Để vượt qua rào cản này, nhóm Sunway đã chọn một hướng đi khác biệt: thay vì cố gắng tính toán toàn bộ không gian lượng tử, họ để trí tuệ nhân tạo học cách “bắt chước” nó. Cụ thể, họ phát triển một mô hình AI gọi là Neural Network Quantum States (NNQS) — “trạng thái lượng tử mạng nơ-ron”. Mô hình này được thiết kế để học cách xấp xỉ hàm sóng thực của một hệ lượng tử bằng cách huấn luyện mạng nơ-ron trên vô số mẫu cấu hình electron khác nhau.
Cách làm của họ gồm nhiều bước cực kỳ tinh vi. Trước tiên, hệ thống NNQS tạo ra hàng triệu cấu hình khả dĩ về vị trí và spin của electron trong một phân tử giả định gồm 120 obitan lượng tử. Với mỗi cấu hình, AI sẽ tính toán năng lượng cục bộ và so sánh với năng lượng lý thuyết của hệ thống, rồi điều chỉnh trọng số trong mạng nơ-ron để giảm sai lệch giữa hai giá trị này.
Quá trình này diễn ra lặp đi lặp lại hàng triệu lần, cho đến khi mô hình học được quy luật năng lượng chính xác của hệ lượng tử. Nói cách khác, AI không cần biết toàn bộ hàm sóng, mà tự học cách “dự đoán” và “hiệu chỉnh” liên tục để dần mô phỏng được hành vi lượng tử thực sự.
Song, phần mềm chỉ là một nửa của kỳ tích. Để AI có thể vận hành ở quy mô khổng lồ này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế lại toàn bộ cách thức hoạt động của phần cứng. Oceanlite sử dụng chip Sunway SW26010-Pro — mỗi chip có 384 lõi xử lý được chia thành hai loại: lõi điều phối (management core) và lõi tính toán hạng nhẹ (CPE – Computing Processing Element).
Các nhà khoa học đã xây dựng một hệ thống giao tiếp phân cấp nhiều tầng, trong đó lõi quản lý chịu trách nhiệm điều phối dữ liệu giữa các cụm và giám sát luồng tính toán, còn hàng chục triệu lõi CPE phụ trách xử lý song song những phép tính lượng tử cực nhỏ ở cấp cục bộ.
Để tận dụng tối đa sức mạnh của 37 triệu lõi này, họ sáng tạo ra một thuật toán cân bằng tải động (dynamic load balancing), giúp phân bổ công việc theo thời gian thực. Trong các mô phỏng lượng tử, khối lượng tính toán cho mỗi vùng dữ liệu thường không đồng đều — một số lõi có thể bị “rảnh việc” trong khi lõi khác bị quá tải.
Trước đây việc mô phỏng trạng thái của lượng tử chỉ có thể thực hiện thông qua các máy tính lượng tử, nhưng giờ đây các nhà khoa học Trung Quốc đã có thể làm được điều này bằng siêu máy tính thông thường
Thuật toán này liên tục theo dõi tình trạng đó và chuyển luồng công việc sang các lõi còn nhàn rỗi, đảm bảo không một đơn vị xử lý nào bị lãng phí. Chính cơ chế này đã giúp Oceanlite đạt mức hiệu suất 92% strong scaling và 98% weak scaling — tức gần như toàn bộ năng lực phần cứng đều được khai thác triệt để, điều chưa từng có ở quy mô này.
Kết quả cuối cùng thật ấn tượng: mô hình AI của họ đã mô phỏng thành công hệ lượng tử với 120 obitan spin — con số lớn nhất mà một siêu máy tính cổ điển từng xử lý trong lĩnh vực hóa học lượng tử. Quan trọng hơn, toàn bộ phép mô phỏng này được thực hiện mà không cần bất kỳ phần cứng lượng tử nào, chứng minh rằng AI có thể trở thành cầu nối giữa máy tính cổ điển và thế giới lượng tử.
Nhờ sự phối hợp giữa phần mềm và phần cứng, nhóm Sunway không chỉ chứng minh sức mạnh của công nghệ siêu máy tính Trung Quốc, mà còn mở ra một hướng nghiên cứu hoàn toàn mới cho thế giới. Trong tương lai, nếu phương pháp NNQS này tiếp tục được mở rộng, con người có thể mô phỏng chính xác các phản ứng hóa học ở cấp độ electron mà không cần tới phòng thí nghiệm vật lý — một bước tiến có thể làm thay đổi cả ngành hóa học, vật liệu và năng lượng.
