Trung Quốc lập kỷ lục mô phỏng lượng tử bằng AI trên siêu máy tính Oceanlite

Các nhà khoa học Trung Quốc vừa đạt được một bước tiến lớn trong nghiên cứu vật lý lượng tử khi mô phỏng thành công một hệ thống phân tử với 120 quỹ đạo spin bằng trạng thái lượng tử mạng nơ-ron (Neural Network Quantum States – NNQS) trên siêu máy tính Oceanlite. Đây được xem là phép tính hóa học lượng tử lớn nhất do AI điều khiển từng được thực hiện trên một siêu máy tính cổ điển.

Thách thức trong mô phỏng lượng tử

Trong cơ học lượng tử, trạng thái của một hệ — được mô tả bằng hàm sóng (Ψ) — xác định tất cả các cấu hình khả dĩ 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 cực kỳ phức tạp, bởi số lượng trạng thái tăng theo cấp số nhân với số hạt, khiến ngay cả các siêu máy tính mạnh nhất hiện nay cũng khó có thể xử lý chính xác.

Để vượt qua giới hạn này, các nhà khoa học thường sử dụng phương pháp xấp xỉ hàm sóng, giúp đơn giản hóa bài toán trong khi vẫn giữ được mức chính xác cao. Dù vậy, những phương pháp truyền thống này chỉ mở rộng được đến các phân tử nhỏ, không đủ để mô tả các hệ nhiều vật thể có tương quan electron mạnh.

AI mở đường cho mô phỏng lượng tử quy mô lớn

Vài năm gần đây, các nhà vật lý đã đề xuất ứng dụng học máy hiện đại — cụ thể là NNQS (Neural Network Quantum States) — nhằm học và ước tính tất cả các cấu hình khả dĩ của electron trong một phân tử. Phương pháp này kết hợp khả năng mở rộng của trí tuệ nhân tạo với độ chính xác của mô hình lượng tử, mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu vốn bất khả thi với phương pháp cổ điển.

Trong thí nghiệm mới, các nhà nghiên cứu đã phát triển một khuôn khổ NNQS riêng, huấn luyện mạng nơ-ron để ước tính hàm sóng của phân tử. Hệ thống liên tục lấy mẫu vị trí electron, tính năng lượng cục bộ, rồi 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 kiến trúc độc đáo

Mô hình NNQS này được thiết kế 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. Điểm đặc biệt là SW26010-Pro có kiến trúc HPC thuần túy, không tối ưu cho AI như GPU hiện đại, buộc nhóm nghiên cứu phải thiết kế lại toàn bộ mô hình giao tiếp và xử lý dữ liệu.

Để khai thác hiệu năng tối đa, họ 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. Bên cạnh đó, thuật toán cân bằng tải động được áp dụng để ngăn tình trạng lõi nhàn rỗi khi khối lượng công việc phân bố không đều.

Hiệu năng ấn tượng và ý nghĩa khoa học

Bằng cách triển khai trên 37 triệu lõi CPE, nhóm nghiên cứu đạt tỷ lệ mở rộng mạnh 92% và tỷ lệ mở rộng yếu 98%, mức hiệu suất hiếm thấy ở quy mô siêu máy tính như vậy. Thành tựu này cho thấy sự đồng bộ gần như hoàn hảo giữa phần mềm và phần cứng, đồng thời khẳng định năng lực phát triển hệ thống HPC của Trung Quốc đã đạt đến tầm thế giới.

Đây không chỉ là một cột mốc quan trọng cho ngành siêu máy tính, mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới cho vật lý lượng tử dựa trên AI. Tuy vậy, các chuyên gia cho rằng vẫn cần đánh giá thêm về tính hiệu quả thực tế của việc sử dụng siêu máy tính exascale như Oceanlite cho nghiên cứu lượng tử, xét cả về chi phí và năng lượng tiêu thụ.