Nguồn: Zeping Macro
**Ngày 10 tháng 12, Google công bố thế hệ vi mạch lượng tử mới nhất - Willow, gây sốc toàn cầu trong giới công nghệ, ngay cả Elon Musk cũng bất ngờ khen ngợi ‘Wow’!
Sức mạnh của chip Willow nằm ở đâu? Còn xa tới quy mô sản xuất hàng loạt?
1 Thế hệ chip lượng tử mới nhất của Google, Willow, được tung ra với khả năng tính toán và khả năng sửa lỗi mạnh mẽ nhất
Đối với một nhiệm vụ cơ bản được gọi là “Mẫu mạch ngẫu nhiên”, máy tính siêu việt tốc hiện tại cần mất 10 ^ 25 năm để giải quyết, thời gian vượt xa tuổi của vũ trụ (26,7 tỷ năm); trong khi Willow hoàn thành nhiệm vụ này trong thời gian chưa đầy 5 phút.
Điện toán lượng tử có tiềm năng tăng đáng kể tốc độ tính toán cho các tác vụ cụ thể, vượt qua các máy tính cổ điển, được gọi là “ưu thế lượng tử”. Ngay từ năm 2019, Google đã xác minh thực tế này, được công bố trên tạp chí Nature, cho thấy họ đã sử dụng một máy tính lượng tử 54 qubit, Sycamore, để đạt được một nhiệm vụ mà các máy tính kiến trúc truyền thống không thể làm được: trong một thí nghiệm trong đó siêu máy tính đầu tiên trên thế giới cần tính toán trong 10.000 năm, Sycamore chỉ mất 3 phút 20 giây. Vào thời điểm đó, Giám đốc điều hành Google Sundar Pichai cho biết đây là “Hello World” được các nhà nghiên cứu chờ đợi từ lâu, và đó là cột mốc ý nghĩa nhất trong ứng dụng thực tế của điện toán lượng tử lúc bấy giờ.
Sự phát hành lần này của Willow không thể phủ nhận là một sự kiện mang tính biểu tượng khác trong lĩnh vực tính toán lượng tử.
![]()
Tuy nhiên, “nhanh” không phải là bước đột phá đáng chú ý nhất của Willow. **
Điểm nổi bật lớn nhất của Willow là khả năng sửa lỗi mạnh mẽ.
Trước đây, do sự mong manh của trạng thái lượng tử, chip lượng tử dễ bị can thiệp và mất kết hợp môi trường trong quá trình xử lý dữ liệu, dẫn đến lỗi trạng thái của qubit. Vì vậy, mặc dù “ưu thế lượng tử” của chúng, máy tính lượng tử dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường và rất dễ bị lỗi. Nói chung, càng nhiều qubit, càng xảy ra nhiều lỗi.
Do đó, “sửa lỗi lượng tử” trở thành một công nghệ chính, vi mạch lượng tử cần công nghệ sửa lỗi lượng tử đặc biệt, đây cũng là thách thức quan trọng trong lĩnh vực này, cũng như một thời gian nghiêm trọng hạn chế ứng dụng và phát triển tính thực tế của máy tính lượng tử.
Vi mạch Willow đã giải quyết thành công vấn đề khó khăn về tự sửa lỗi trong lĩnh vực lượng tử mà nhiều nghiên cứu viên gặp phải trong gần 30 năm qua, giảm tỷ lệ lỗi theo cấp số mũ. Nghiên cứu của Google cho thấy rằng, mức độ lỗi của hệ thống sẽ giảm khi sử dụng nhiều bit lượng tử hơn trong Willow.
Khi số bit lượng tử tăng lên, ** từ mảng 3×3 mở rộng lên 5×5 và sau đó là mảng 7×7 trong các thí nghiệm với vi mạch Willow của Google, mỗi lần mở rộng đều giảm tỷ lệ lỗi mã hóa đi 2.14 lần, tỷ lệ lỗi giảm càng ngày càng nhanh.**
![]()
2. Là gì tính toán lượng tử? Tại sao nó lại mạnh mẽ như vậy?
Năm 1935, nhà vật lý người Áo Schrödinger đã đề xuất một thí nghiệm tưởng tượng tuyệt vời: đặt một con mèo vào hộp có chất phóng xạ, có xác suất 50% là chất phóng xạ sẽ phân hủy và giải phóng khí độc để giết chết con mèo, đồng thời, có 50% xác suất chất phóng xạ sẽ không phân hủy và con mèo sẽ sống sót. Trước khi mở hộp, không ai biết con mèo còn sống hay đã chết, và chỉ có thể được mô tả là “trong sự chồng chất của sự sống và cái chết”.
![]()
Thế giới lượng tử, giống như “con mèo của Schrödinger”, đang ở trong trạng thái kết hợp treo lơ lửng; Lý thuyết tính toán lượng tử tương ứng được gọi là “tính toán lượng tử”, trong khi ở tầng cứng là vi mạch lượng tử, máy tính lượng tử.
Máy tính lượng tử có hai ưu điểm:
Đầu tiên, khả năng lưu trữ dữ liệu mạnh mẽ. Tính toán cổ điển được thực hiện trên cơ sở bit như là đơn vị cơ bản, trong khi tính toán lượng tử sử dụng qubit là đơn vị cơ bản.
Trong tính toán cổ điển, trạng thái của bit là xác định, có thể là 0 hoặc 1; trong khi đó, bit lượng tử lại nằm ở trạng thái gộp giữa 0 và 1, nó có thể đồng thời lưu trữ cả 0 và 1.
Một vi mạch truyền thống có 1 viên bit có thể lưu trữ n dữ liệu cùng một lúc; trong khi một vi mạch có n viên bit lượng tử có thể lưu trữ 2^n dữ liệu cùng một lúc.
Thứ hai, hiển thị khả năng tính toán song song mạnh mẽ đối với các vấn đề cụ thể.
Máy tính điện tử truyền thống là tính toán tuần tự, mỗi lần thao tác chỉ có thể chuyển đổi một giá trị duy nhất thành một giá trị khác, điều này có nghĩa là nó phải tính toán theo thứ tự. Trong khi đó, máy tính lượng tử có thể chuyển đổi cùng một lúc 2^n dữ liệu thành 2^n dữ liệu mới với chỉ một thao tác.
3. Chip lượng tử trong tương lai có thể thay thế GPU và thúc đẩy quá trình phát triển AI không?
Công nghệ trí tuệ nhân tạo và các ứng dụng khác nhau đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, và nhu cầu về sức mạnh tính toán cũng tăng theo cấp số nhân.
Lý thuyết, khả năng xử lý song song của tính toán lượng tử cho phép nó có lợi thế tự nhiên trong việc xử lý các thuật toán trí tuệ nhân tạo phức tạp, có thể cải thiện đáng kể tốc độ và độ chính xác của mô hình huấn luyện. Sự xuất hiện của vi mạch Willow có thể mở ra cơ hội mạnh mẽ cho sự phát triển tiếp theo của trí tuệ nhân tạo.
Thực tế, GPU hiện đang được sử dụng rộng rãi trong AI ban đầu được thiết kế để tăng tốc xử lý đồ họa. Ví dụ như dựng cảnh 3D trong trò chơi, mô hình hóa và xử lý hiệu ứng đặc biệt trong hoạt hình, hiệu ứng hình ảnh video trong sản xuất phim. Tuy nhiên, vì sức mạnh tính toán mạnh mẽ của nó, GPU sau đó được sử dụng rộng rãi trong tính toán khoa học và lĩnh vực trí tuệ nhân tạo, đặc biệt là giai đoạn huấn luyện và suy luận mạng thần kinh trong học sâu, thể hiện sức mạnh trong xử lý các tác vụ tính toán có thước đo lớn và độ song song cao.
Từ góc độ này, chip lượng tử trong tương lai cũng sẽ dần phá vỡ giới hạn tính toán, tăng tốc quá trình huấn luyện các thuật toán học máy AI đa dạng. Hiện nay, chip lượng tử chủ yếu được áp dụng trong một số lĩnh vực cụ thể đòi hỏi độ phức tạp tính toán cao, như giải mã thuật mã hóa trong mật mã học (ví dụ như tiềm ẩn mối đe dọa đối với cách mã hóa truyền thống dựa trên thuật toán RSA), mô phỏng hệ thống lượng tử (mô phỏng các tính chất vật lý và hóa học của phân tử, vật liệu ở mức độ lượng tử), giải quyết các vấn đề tối ưu phức tạp (như kế hoạch vận chuyển, phân phối tài nguyên và các vấn đề tối ưu hóa kết hợp phức tạp khác). Trong những lĩnh vực này, ưu điểm của tính toán lượng tử có thể được tận dụng đầy đủ, có thể giải quyết các nhiệm vụ mà máy tính truyền thống không thể hoàn thành trong thời gian chấp nhận được.
Sự tăng trưởng khả năng tính toán của vi mạch lượng tử chủ yếu liên quan đến sự tăng số lượng và chất lượng của bít lượng tử. Trong tương lai, với sự gia tăng của số lượng bít lượng tử, khả năng tính toán của máy tính lượng tử sẽ tăng một cách mũ. Mỗi khi tăng thêm một bít lượng tử, số lượng kết hợp trạng thái có thể của nó sẽ tăng gấp đôi. Ví dụ, 2 bít lượng tử có 4 kết hợp trạng thái, 3 bít lượng tử có 8 kết hợp trạng thái, và cứ tiếp tục như vậy. Đồng thời, chất lượng của bít lượng tử (như thời gian đồng bộ, độ chính xác, v.v.) cũng có ảnh hưởng quan trọng đến khả năng tính toán, bít lượng tử chất lượng cao có thể giữ trạng thái lượng tử hiệu quả hơn, từ đó thực hiện tính toán chính xác và phức tạp hơn.
Tuy nhiên, trong tương lai ngắn hạn, việc cạnh tranh với GPU sẽ là một thách thức đối với vi mạch lượng tử. Vi mạch lượng tử có khả năng tính toán mạnh hơn so với GPU và trong lý thuyết có thể thay thế. Tuy nhiên, điều quan trọng hơn là hệ sinh thái lập trình và lợi thế của nhà phát triển, công nghệ chế tạo và sự chín chắn của ngành công nghiệp của GPU.
**Kiến trúc lập trình và hệ sinh thái nhà phát triển GPU là những rào cản cốt lõi. **Nvidia đã mở đường cho hơn 10 năm “cuộc cách mạng điện toán AI” do GPU đặt ra.
CUDA (Compute Unified Device Architecture) là nền tảng kiến trúc lập trình GPU đầu tiên được phát triển bởi NVIDIA vào năm 2006, có giá trị trong việc xây dựng một sinh thái phát triển GPU **, ** các kỹ sư thuật toán có thể khai thác khả năng của GPU theo nhu cầu của họ, điều này cũng mở rộng lĩnh vực ứng dụng của GPU từ đồ họa sang lĩnh vực chung.
Nếu phát triển phần mềm mới dựa trên phần cứng mới (như chip lượng tử), việc đảm bảo tương thích ngược với phiên bản cũ là cần thiết, nhưng phần lớn phần mềm trí tuệ nhân tạo hiện tại đều phụ thuộc vào nền tảng CUDA, vì vậy việc tách khỏi kiến trúc CUDA đòi hỏi chi phí cao. Ngoài ra, hiệu ứng hào cảng của cộng đồng phát triển cũng góp phần tạo ra rào cản, nhiều nhà phát triển tính toán hiệu suất cao đã tích luỹ kinh nghiệm phát triển trong sinh thái CUDA, mỗi năm CUDA có tới năm triệu lượt tải xuống, việc thúc đẩy cộng đồng phát triển chuyển sang mô hình lập trình khác sẽ là một dự án kéo dài mười năm.
![]()
Quy trình sản xuất chip GPU và chuỗi cung ứng đã trở nên chín chắn, với thị trường tiêu dùng rộng lớn và chuỗi cung ứng công nghiệp tích cực.
GPU đã tồn tại trong suốt 25 năm kể từ khi ra đời, các kịch bản ứng dụng thương mại như máy tính cá nhân, phát triển tùy chỉnh, trung tâm dữ liệu AI đã hình thành trong khoảng từ 10 đến 30 năm. Hiện tại, từ việc đề xuất vi mạch GPU cho đến vi mạch hoàn chỉnh mất một năm, từ vi mạch hoàn chỉnh đến sản xuất hàng loạt cũng mất một năm, tạo nên chu kỳ phát triển tương ứng như việc phát triển thiết bị khắc chế ánh sáng, công nghệ gia công wafer, vv. Chuỗi cung ứng vững chắc như vậy khó có thể bị đảo lộn sau gần 10 năm phát triển tích cực.
Và chuỗi sản xuất chip lượng tử và ngành công nghiệp GPU khó có thể trùng nhau. Thiết kế và sản xuất chip lượng tử rất phức tạp, yêu cầu môi trường thực nghiệm cực kỳ tinh khiết, công nghệ điều khiển lượng tử chính xác và bit lượng tử ổn định, vì vậy trong thời gian dài chỉ có một số ít công ty công nghệ hàng đầu đối mặt với nhau, vẫn chưa hình thành chuỗi cung ứng công nghiệp chín muồi. Do đó, trong thời gian ngắn, việc sản xuất hàng loạt chip lượng tử và ứng dụng thương mại là một thách thức lớn.
4. Quantum chip affects the biggest areas: cryptocurrency and “HPC+AI”
4.1 Vi mạch lượng tử hoặc “kẻ thù” của tiền điện tử
Ví dụ về Bitcoin, tính an toàn của nó được xây dựng trên hai cơ chế quan trọng. Một là cơ chế “đào”, sản lượng Bitcoin dựa trên bằng chứng công việc (Proof of Work) dựa vào hàm băm, điều này cũng có nghĩa là càng cao tỉ lệ hàm băm, khả năng đào càng lớn. Hai là chữ ký giao dịch, một loại thuật toán chữ ký số dựa trên đường cong elliptic (ECDSA), tương đương với “ví nhận dạng” của người dùng. Thiết kế của hai cơ chế này khiến Bitcoin gần như không thể bị phá vỡ theo cách truyền thống, nhưng vi xử lý lượng tử sẽ trực tiếp đe dọa đến Bitcoin.
Một trong những vấn đề là việc bẻ khóa cơ chế đào của blockchain bằng tính toán lượng tử. Các thuật toán tính toán lượng tử có thể tăng tốc tính toán hàm băm, nghĩa là tăng tốc độ đào, vượt xa tất cả các thiết bị truyền thống trước đây, dẫn đến tăng cường khả năng thành công khi đào và cung cấp tiền mã hóa tăng đột biến, gây ra biến động mạnh về giá trị thị trường. Vào ngày 10 tháng 12, giá Bitcoin đã giảm từ mức 100.000 đô la Mỹ xuống còn 94.000 đô la Mỹ. Dữ liệu của Coinglass cho thấy, trong khoảng từ ngày 10 đến 12 tháng 12, tổng số 237.000 người đã phá sản.
Thứ hai là mối đe dọa trực tiếp đối với việc ký gửi giao dịch bằng máy tính lượng tử. Giao dịch tiền điện tử có hai loại chứng thư: ‘khóa công khai’ và ‘khóa bí mật’, trong đó ‘khóa công khai’ tương tự như số thẻ ngân hàng và ‘khóa bí mật’ tương tự như mật khẩu ví điện tử. Thông thường, việc tiết lộ địa chỉ khóa công khai không ảnh hưởng đến an toàn tài sản của người dùng, nhưng máy tính lượng tử có thể giải mã chữ ký bằng khóa công khai và tạo giao dịch giả mạo. Ví dụ, thuật toán Shor trong máy tính lượng tử được sử dụng đặc biệt để giải mã phân tích yếu tố nguyên tố lớn và vấn đề logarit rời rạc, gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với việc ký gửi giao dịch.
Mặc dù hiện tại Willow đối với Bitcoin có mối đe dọa rất nhỏ, nhưng trong tương lai, tiền điện tử rất có thể bị tấn công bởi máy tính lượng tử. Lý thuyết, để tấn công vào chữ ký và cơ chế đào Bitcoin, cần khoảng vài triệu qubit vật lý, điều này vẫn còn rất lớn so với 105 qubit vật lý mà Willow hiện đang sở hữu. Nhưng nếu Willow tiến hành tương tự như GPU thông thường, thực hiện sản xuất hàng loạt và bước nhảy về sức mạnh tính toán, thì trong vòng 10 năm tới, việc Bitcoin bị “xâm chiếm” cũng không phải là điều không thể.
4.2 Vi điều khiển lượng tử sẽ thúc đẩy “HPC+AI”, thúc đẩy sự phát triển của trí tuệ nhân tạo cao cấp
Theo phân loại AI của OpenAI, từ L1 (Chatbot) sang L5 (AGI), việc phát triển mô hình AI hiện tại mới chỉ đang trong giai đoạn chuyển tiếp từ L1 sang L2. AGI cấp độ 5 được định nghĩa là “năng lực cấp tổ chức” để đánh giá, lý luận, dự đoán và lập kế hoạch hành động trong môi trường thực tế năng động và phức tạp. ** Ngành công nghiệp tin rằng “HPC + AI” sẽ là một bước quan trọng để đạt được AGI **.
![]()
Tính toán hiệu năng cao (HPC) đề cập đến việc sử dụng khả năng tính toán mạnh mẽ để giải quyết các vấn đề trong khoa học, kỹ thuật và công nghệ, tương tự như mô hình lớn của trí tuệ nhân tạo (AI) hiện nay, nhưng có hướng và điểm nhấn khác nhau.
HPC tập trung vào việc “Giải quyết vấn đề phức tạp”, như ứng dụng máy tính siêu viễn tưởng trong lĩnh vực khí tượng, vật lý, thiên văn đã mang lại những bước đột phá lớn trong nghiên cứu khoa học.
Mô hình AI tập trung vào “suy luận và tạo ra”, mặc dù không giỏi trong việc giải quyết các mô hình phức tạp, nhưng lại có tính thông dụng tốt.
Việc triển khai vi mạch lượng tử là một bước đột phá cách mạng đối với lĩnh vực HPC, giải quyết các vấn đề phức tạp không còn yêu cầu thời gian tính toán dài của HPC truyền thống, mà có thể phát triển theo hướng mới - kết hợp với AI để thực hiện đào tạo tổng quát phức tạp hơn.
Đầu tiên, đào tạo AI truyền thống không thể xử lý dữ liệu qubit, trong khi điện toán lượng tử có thể tối ưu hóa các mô hình học tập cụ thể không thể được xử lý bằng điện toán truyền thống và xây dựng các mô hình hệ thống nhạy cảm với các hiện tượng lượng tử. Nói cách khác, các mô hình AI trong tương lai sẽ có khả năng suy luận và dự đoán các thế giới phức tạp, giảm hoặc thậm chí loại bỏ hiện tượng “ảo ảnh AI” so với các mô hình lớn hiện tại.
Một điểm mạnh khác của công nghệ sửa lỗi lượng tử là vi xử lý Willow đã vượt qua được thách thức chính của việc sửa lỗi lượng tử, giảm đáng kể tỷ lệ lỗi. Trong quá trình huấn luyện trí tuệ nhân tạo cấp cao, việc áp dụng công nghệ sửa lỗi lượng tử có thể đảm bảo mô hình trong quá trình huấn luyện và xử lý một lượng lớn dữ liệu phức tạp một cách chính xác và đáng tin cậy, giảm thiểu các lỗi tính toán do tính yếu đuối của bit lượng tử, từ đó nâng cao hiệu quả và đáng tin cậy của quá trình huấn luyện trí tuệ nhân tạo.
Mặc dù việc đào tạo AI hiện tại vẫn chưa có điều kiện để sử dụng vi mạch tử vi, nhưng trong tương lai có thể cần vi mạch tử vi làm hỗ trợ lõi cho sức mạnh tính toán. Vì bit tử vi rất nhạy cảm và dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường bên ngoài như nhiệt độ và trường điện từ, những yếu tố này có thể dẫn đến sự suy giảm trạng thái tử vi và ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả tính toán. Mặc dù Willow đã đạt được một số tiến bộ trong công nghệ sửa lỗi tử vi, nhưng trong ứng dụng huấn luyện trí tuệ nhân tạo thực tế, để đạt được hoạt động ổn định trong thời gian dài, sự ổn định và khả năng chống nhiễu của hệ thống tử vi vẫn cần được cải thiện.
Google has released the new generation of quantum computing chip Willow, which has caused a huge sensation in the global technology community. This is not only a major breakthrough in the field of quantum computing, but also the next frontier of global technology.
Con đường phát triển của công nghệ tính toán lượng tử trong tương lai vẫn còn gặp nhiều khó khăn và còn nhiều vấn đề khó giải quyết trước khi được áp dụng rộng rãi vào đào tạo trí tuệ nhân tạo (AI).
Sự tiến bộ của công nghệ chưa bao giờ là một con đường trải hoa, giống như GPU đã từ một cái tên xa lạ trở thành một hiện tượng.
