Thám hiểm thế giới lượng tử

Các chuyên gia IBM tự nhận mình là những nhà thám hiểm - những thám hiểm IBM. Họ đang làm việc để khám phá các giới hạn của máy tính, vạch ra lộ trình của một công nghệ chưa từng được hiện thực hóa và lập bản đồ theo phương thức mà IBM cho rằng những công nghệ này sẽ mang lại lợi ích cho khách hàng của IBM và giải quyết những thách thức lớn nhất của thế giới. Rất khó khăn cho các nhà thám hiểm khám phá những điều chưa biết. Nhưng một trong những công cụ cần có của nhà thám hiểm giỏi là tấm bản đồ chỉ dẫn.

Từ năm 2021, IBM đã phát hành bản thảo đầu tiên của bản đồ đó để thực hiện những bước đầu tiên với kế hoạch ba năm đầy tham vọng của IBM để phát triển công nghệ điện toán lượng tử, được gọi là lộ trình phát triển của IBM. Kể từ đó, quá trình thám hiểm của IBM đã phát hiện ra những khám phá mới, giúp IBM có được những hiểu biết sâu sắc để tinh chỉnh bản đồ của mình và phát triển những ý tưởng đã nêu trong kế hoạch.

Bản đồ IBM Quantum phiên bản năm 2021

Trong phiên bản mới vào năm 2022, IBM giới thiệu bản cập nhật cho bản đồ, trong đó nêu kế hoạch của IBM để kết hợp các bộ xử lý lượng tử, CPU và GPU vào một kết cấu điện toán có khả năng giải quyết các vấn đề vượt ra ngoài phạm vi của các tài nguyên cổ điển.

Mục tiêu của IBM là xây dựng các siêu máy tính lấy lượng tử làm trung tâm. Siêu máy tính lượng tử sẽ kết hợp bộ xử lý lượng tử, bộ xử lý cổ điển, mạng truyền thông lượng tử và mạng cổ điển, tất cả hoạt động cùng nhau để biến đổi hoàn toàn cách thức tính toán. Để làm như vậy, cần phải giải quyết thách thức về việc mở rộng quy mô bộ xử lý lượng tử, phát triển môi trường thời gian chạy để cung cấp các phép tính lượng tử với tốc độ và chất lượng cao hơn. Bên cạnh đó, IBM cũng giới thiệu mô hình lập trình không có máy chủ cho phép bộ xử lý lượng tử và cổ điển hoạt động cùng nhau một cách trơn tru.

Hành trình thám hiểm của IBM bắt đầu kể từ khi IBM đưa máy tính lượng tử đầu tiên lên đám mây vào năm 2016. Năm 2017, IBM đã giới thiệu bộ công cụ phát triển phần mềm mã nguồn mở có tên gọi là Qiskit để lập trình các máy tính lượng tử. Qiskit là khung lập trình lượng tử mã nguồn mở của IBM, cho phép các nhà nghiên cứu, phát triển lập trình máy tính lượng tử và mô phỏng cổ điển. Mục tiêu chính của IBM là tăng cường năng lực phần cứng đồng thời làm cho các chương trình lượng tử của họ trở nên đơn giản để sử dụng cho số lượng lớn nhất và nhiều nhà phát triển nhất có thể.

Tới năm 2019, IBM đã ra mắt hệ thống máy tính lượng tử tích hợp đầu tiên, được gọi là IBM Quantum System One. Sau đó, IBM đã công bố lộ trình phát triển của mình cho thấy cách IBM lên kế hoạch phát triển máy tính lượng tử thành một công nghệ thương mại vào năm 2020.

Là một phần của lộ trình đó, vào năm 2021, IBM đã công bố thành tựu IBM Quantum đã phá vỡ rào cản bộ xử lý 100‑qubit. Cũng vào năm 2021, IBM đã chứng minh tốc độ mô phỏng phân tử tăng gấp 120 lần nhờ một loạt cải tiến, bao gồm khả năng chạy các chương trình lượng tử hoàn toàn trên đám mây với Qiskit Runtime. Đầu năm 2022, IBM đã ra mắt Dịch vụ thời gian chạy Qiskit (Qiskit Runtime Services) với các nguyên thủy. Các chương trình dựng sẵn cho phép các nhà phát triển thuật toán dễ dàng truy cập vào kết quả của các phép tính lượng tử mà không yêu cầu hiểu biết về phần cứng phức tạp.

Chuẩn bị cho tính toán lượng tử không có máy chủ

Để phát huy những thành tựu phát triển phần cứng hàng đầu thế giới của IBM, IBM cũng phát triển phần mềm và cơ sở hạ tầng để người dùng của IBM có thể tận dụng những lợi thế đó. Những người dùng khác nhau có nhu cầu và trải nghiệm khác nhau, IBM đã xây dựng các công cụ cho từng người: nhà phát triển nhân (Kernel Developers), nhà phát triển thuật toán (Algorithm Developers) và nhà phát triển mô hình (Model Developers).

Đối với các nhà phát triển nhân của IBM 

Đó là những người tập trung vào việc tạo ra các mạch lượng tử nhanh hơn và tốt hơn trên phần cứng thực. Để hỗ trợ họ, IBM cung cấp và sẽ hoàn thiện Qiskit Runtime. Trước hết, IBM thêm các mạch động, cho phép phản hồi và tiếp nhận các phép đo lượng tử để thay đổi hoặc điều khiển quá trình hoạt động trong tương lai. Các mạch động mở rộng những gì phần cứng có thể làm bằng cách giảm độ sâu của mạch, bằng cách cho phép các mô hình xây dựng mạch thay thế và bằng cách cho phép kiểm tra tính chẵn lẻ của các hoạt động cơ bản tại trung tâm của việc sửa lỗi lượng tử.

Để tiếp tục tăng tốc độ của các chương trình lượng tử vào năm 2023, IBM dự định đưa các luồng vào Qiskit Runtime, cho phép IBM vận hành các bộ xử lý lượng tử song song, bao gồm tự động phân phối công việc có thể song song hóa một cách bình thường. Vào năm 2024 và 2025, IBM sẽ giới thiệu các kỹ thuật loại bỏ và giảm thiểu lỗi vào Qiskit Runtime để người dùng có thể tập trung vào việc cải thiện chất lượng của kết quả thu được từ phần cứng lượng tử. Những kỹ thuật này sẽ giúp đặt nền móng cho việc sửa lỗi lượng tử trong tương lai.

Tuy nhiên, IBM còn nhiều việc phải làm với mục tiêu phổ cập lượng tử, chẳng hạn như trong số các nhà phát triển thuật toán của IBM, một số nhà phát triển vẫn có thể sử dụng các mạch lượng tử trong các chương trình cổ điển để tạo ra các ứng dụng thể hiện lợi thế lượng tử.

Đối với các nhà phát triển thuật toán của IBM

IBM sẽ hoàn thiện các nguyên thủy của Dịch vụ thời gian chạy Qiskit. Sức mạnh duy nhất của máy tính lượng tử là khả năng tạo ra các phân phối xác suất phi cổ điển ở đầu ra của chúng. Do đó, phần lớn quá trình phát triển thuật toán lượng tử có liên quan đến việc lấy mẫu hoặc ước tính các thuộc tính của các phân phối này. Nguyên thủy là một tập hợp các hàm lõi để làm việc dễ dàng và hiệu quả với các phân phối này.

Thông thường, các nhà phát triển thuật toán yêu cầu chia các vấn đề thành một loạt các chương trình con cổ điển và lượng tử, với một lớp điều phối để ghép các luồng dữ liệu lại với nhau thành một tiến trình công việc tổng thể. IBM cũng sẽ cung cấp cơ sở hạ tầng đảm bảo thực thi nhiệm vụ cho khâu này. IBM cũng thiết kế mô hình lập trình của mình phù hợp liền mạch với quy trình làm việc của các nhà phát triển thuật toán. Các nhà phát triển này chỉ cần tập trung vào mã của họ mà không phải bận tâm lo lắng về việc triển khai và cơ sở hạ tầng. IBM xây dựng một kiến ​​trúc Quantum Serverless. Quantum Serverless xoay quanh việc cho phép kết hợp tài nguyên lượng tử cổ điển linh hoạt mà không yêu cầu nhà phát triển phải là chuyên gia về phần cứng và cơ sở hạ tầng, đồng thời chỉ phân bổ những tài nguyên máy tính mà nhà phát triển cần khi họ làm việc. Vào năm 2023, IBM dự định tích hợp Quantum Serverless vào ngăn xếp phần mềm lõi của mình để kích hoạt chức năng lõi như đan mạch (circuit knitting).

Các kỹ thuật đan mạch chia các mạch lớn hơn thành các phần nhỏ hơn để chạy trên máy tính lượng tử, sau đó kết chặt các kết quả lại với nhau bằng cách sử dụng máy tính cổ điển. Đầu năm 2022, IBM đã chứng minh một phương pháp đan mạch được gọi là rèn vướng víu (entanglement forging) để tăng gấp đôi kích thước của các hệ thống lượng tử mà chúng ta có thể xử lý với cùng số lượng qubit. Đan mạch có thể đáp ứng yêu cầu chạy nhiều mạch được phân chia trên các tài nguyên lượng tử và được điều phối với các tài nguyên cổ điển. IBM cho rằng các bộ xử lý lượng tử song song với giao tiếp cổ điển sẽ có thể mang lại lợi thế lượng tử sớm hơn và một nghiên cứu gần đây đã đề xuất một hướng đi cho việc kết hợp này.

Với tất cả những công việc đã nêu, IBM sẽ sớm có điện toán lượng tử sẵn sàng cho các nhà phát triển mô hình của IBM - những người phát triển các ứng dụng lượng tử để tìm lời giải cho các bài toán phức tạp trong các lĩnh vực cụ thể của họ. Dự kiến vào năm 2024, IBM sẽ bắt đầu tạo nguyên mẫu các ứng dụng phần mềm lượng tử cho các trường hợp sử dụng cụ thể. IBM sẽ bắt đầu xác định các dịch vụ này bằng trường hợp thử nghiệm đầu tiên của mình là học máy để làm việc với các đối tác nhằm đẩy nhanh lộ trình hướng tới các ứng dụng phần mềm lượng tử hữu ích. Đến năm 2025, các nhà phát triển mô hình IBM sẽ có thể khám phá và trải nghiệm các ứng dụng lượng tử trong học máy, tối ưu hóa, khoa học tự nhiên…

Giải quyết vấn đề mở rộng quy mô

Ngày nay, chúng ta đã biết rằng, trung tâm của điện toán lượng tử bao gồm thiết bị phần cứng giúp chạy các chương trình lượng tử. IBM cũng cho rằng, một máy tính lượng tử có khả năng phát huy hết tiềm năng của nó có thể cần tới hàng trăm nghìn, thậm trí là hàng triệu qubit chất lượng cao, vì vậy IBM phải tìm ra cách mở rộng các bộ xử lý này. Với bộ xử lý “Osprey” 433 qubit và bộ xử lý “Condor” 1.121 qubit, dự kiến ​​lần lượt ra mắt vào năm 2022 và 2023, IBM sẽ kiểm tra giới hạn của bộ xử lý đơn chip và kiểm soát các hệ thống lượng tử quy mô lớn được tích hợp vào Hệ thống lượng tử IBM thế hệ Hai. Tuy nhiên, IBM không có kế hoạch hiện thực hóa các máy tính lượng tử quy mô lớn trên một con chip khổng lồ. Thay vào đó, IBM đang phát triển các phương thức liên kết các bộ xử lý với nhau thành một hệ thống mô-đun có khả năng mở rộng quy mô mà không bị giới hạn vật lý.

Để giải quyết vấn đề về quy mô, IBM sẽ giới thiệu ba cách tiếp cận riêng biệt. Thứ nhất, vào năm 2023, IBM sẽ giới thiệu “Heron”- bộ xử lý 133 qubit với phần cứng điều khiển cho phép giao tiếp cổ điển theo thời gian thực giữa các bộ xử lý riêng biệt, cho phép thực hiện các kỹ thuật đan mạch đã được mô tả ở trên. Cách tiếp cận thứ hai là mở rộng kích thước của bộ xử lý lượng tử bằng cách kích hoạt bộ xử lý đa chip. “Crossbill”, một bộ xử lý 408 qubit, sẽ được tạo ra từ ba chip được kết nối bằng bộ ghép chip-to-chip, cho phép thực hiện liên tục các mạng lục giác nặng (heavy-hex lattices) trên nhiều chip. Mục tiêu của kiến ​​trúc này là làm cho người dùng cảm thấy như thể họ đang được sử dụng một bộ xử lý lớn hơn.

Cùng với việc mở rộng quy mô thông qua kết nối mô-đun của các bộ xử lý đa chip, vào năm 2024, IBM cũng có kế hoạch giới thiệu phương pháp thứ ba: giao tiếp lượng tử giữa các bộ xử lý để hỗ trợ song song hóa lượng tử. IBM sẽ giới thiệu bộ xử lý “Flamingo” 462 qubit với liên kết truyền thông lượng tử tích hợp, sau đó phát hành bản trình diễn kiến ​​trúc này bằng cách liên kết ít nhất ba bộ xử lý Flamingo với nhau thành một hệ thống 1.386 qubit. IBM hy vọng rằng liên kết này sẽ dẫn đến các cổng kết nối mượt hơn và có độ nghẽn thấp hơn trên các bộ xử lý. Phần mềm của IBM cần nhận thức được việc xem xét kiến ​​trúc này để người dùng của IBM tận dụng tốt nhất hệ thống này.

Việc tìm hiểu về quy mô của IBM và các cộng sự sẽ mang tất cả những tiến bộ này lại với nhau để nhận ra tiềm năng đầy đủ của cả cộng đồng. Vì vậy, vào năm 2025, IBM sẽ giới thiệu bộ xử lý “Kookaburra”. Kookaburra sẽ là bộ xử lý đa chip 1.386 qubit với liên kết truyền thông lượng tử. Để minh họa, IBM sẽ kết nối ba chip Kookaburra thành một hệ thống 4.158 qubit được kết nối bằng giao tiếp lượng tử cho người dùng của IBM.

Sự kết hợp của những công nghệ song song hóa cổ điển, bộ xử lý lượng tử đa chip và song song hóa lượng tử sẽ cung cấp cho IBM tất cả các thành phần cần thiết để mở rộng quy mô máy tính đáp ứng lộ trình của IBM. Đến năm 2025, IBM sẽ xóa bỏ một cách hiệu quả các ranh giới chính trong cách mở rộng quy mô bộ xử lý lượng tử bằng phần cứng lượng tử mô-đun và cơ sở hạ tầng điện tử điều khiển và làm lạnh sâu đi kèm. Đẩy mạnh tính mô-đun hoá cả phần mềm và phần cứng của IBM sẽ là chìa khóa để đạt được quy mô vượt xa các đối thủ cạnh tranh và IBM rất vui mừng được cung cấp các thành quả cho tất cả cộng sự của IBM và người dùng.

Bản đồ IBM Quantum phiên bản cập nhật tháng 5/2022

Siêu máy tính lấy lượng tử làm trung tâm đồng hành vào tương lai lượng tử

Lộ trình cập nhật của IBM sẽ đưa ra kế hoạch đến năm 2025, nhưng sự phát triển sẽ không dừng lại ở đó. Đến lúc đó, IBM sẽ loại bỏ một số rào cản lớn nhất trong cách mở rộng quy mô phần cứng lượng tử, đồng thời phát triển các công cụ và kỹ thuật có khả năng tích hợp lượng tử vào quy trình điện toán. Sự thay đổi trong nhận biết thế giới lượng tử này sẽ tương đương với việc thay thế các bản đồ giấy bằng các vệ tinh GPS khi chúng ta hướng tới tương lai lượng tử.

Tuy nhiên, IBM không chỉ nghĩ về máy tính lượng tử. IBM đang cố gắng tạo ra một sự thay đổi mô hình trong máy tính nói chung. Trong nhiều năm, các siêu máy tính tập trung vào CPU là công cụ xử lý của cộng đồng, trong đó IBM đóng vai trò là nhà phát triển chính của các hệ thống này. Trong vài năm gần đây, chúng ta đã chứng kiến ​​sự xuất hiện của các siêu máy tính lấy AI làm trung tâm, trong đó CPU và GPU hoạt động cùng nhau trong các hệ thống khổng lồ để giải quyết các khối lượng công việc nặng về AI.

Giờ đây, IBM đang mở ra thời đại của siêu máy tính lấy lượng tử làm trung tâm, trong đó các tài nguyên lượng tử là QPU sẽ được kết hợp cùng với CPU và GPU thành một kết cấu khung tính toán. IBM cho rằng siêu máy tính lấy lượng tử làm trung tâm sẽ đóng vai trò là công nghệ thiết yếu cho những người giải quyết những vấn đề khó khăn nhất, những người thực hiện nghiên cứu đột phá nhất và những người phát triển công nghệ tiên tiến nhất.

IBM có thể đang đi đúng hướng, nhưng việc khám phá lãnh thổ chưa được khám phá không hề dễ dàng. IBM đang cố gắng viết lại các quy tắc điện toán chỉ trong vài năm. Theo lộ trình này sẽ yêu cầu IBM phải giải quyết rất nhiều vấn đề kỹ thuật và vật lý cực kỳ khó khăn.

Nhưng IBM cảm thấy khá tự tin, xét cho cùng, IBM đã có những bước tiến xa cùng với sự trợ giúp mới của nhóm các nhà nghiên cứu hàng đầu thế giới đang làm việc cho IBM, Mạng lượng tử IBM, cộng đồng mã nguồn mở Qiskit và cộng đồng các nhà phát triển hạt nhân, hệ điều hành thuật toán, mô hình của IBM đang phát triển mạnh mẽ. IBM rất vui khi có tất cả các bạn đồng hành cùng chuyến thám hiểm của IBM vào thế giới lượng tử đầy bí hiểm và quyền lực.