Bài viết “Quantum Simulation Explained: The Next Big Thing in Advanced Computing” của The Quantum Insider giới thiệu mô phỏng lượng tử theo góc nhìn vừa kỹ thuật vừa kinh doanh. Luận điểm chính là: mô phỏng lượng tử có thể trở thành một trong những ứng dụng thực tế sớm nhất của điện toán lượng tử, đặc biệt trong nghiên cứu thuốc và vật liệu.
Quantum simulation được hiểu như thế nào?
Bài viết sử dụng thuật ngữ quantum simulation cho hai cách tiếp cận khác nhau:
- Mô phỏng hệ lượng tử bằng máy tính cổ điển
CPU, GPU hoặc siêu máy tính sử dụng các phương trình, thuật toán số và AI để mô phỏng hành vi của nguyên tử, electron và phân tử. Đây là phương pháp đang được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên, khi số lượng hạt và tương tác tăng lên, khối lượng tính toán có thể trở nên quá lớn.
- Mô phỏng bằng máy tính lượng tử
Máy tính lượng tử sử dụng qubit và các hiện tượng lượng tử để mô hình hóa một hệ vật lý lượng tử. Vì bản thân thiết bị cũng hoạt động theo cơ học lượng tử, nó được kỳ vọng có thể biểu diễn một số tương tác tự nhiên hiệu quả hơn máy tính cổ điển.
Ở cấp độ phân tử, vật chất được chi phối bởi các tương tác giữa electron và hạt nhân. Để mô phỏng chính xác một hệ như vậy, máy tính phải mô tả rất nhiều trạng thái có thể xảy ra đồng thời. Khi số hạt tăng, độ phức tạp tính toán thường tăng rất nhanh. Các siêu máy tính vì thế phải thu nhỏ mô hình; bỏ qua một số tương tác; sử dụng các giả định; hoặc áp dụng phương pháp xấp xỉ.
Máy tính lượng tử được quan tâm vì qubit có thể biểu diễn trạng thái chồng chập và vướng víu. Về lý thuyết, điều này khiến nó phù hợp tự nhiên với việc mô phỏng các hệ lượng tử. Tuy nhiên, “phù hợp tự nhiên” không có nghĩa là máy tính lượng tử hiện nay đã có thể mô phỏng chính xác mọi phân tử. Phần cứng vẫn phải đủ lớn, ổn định và ít lỗi.
Vai trò của AI trong quantum simulation
Bài viết cho thấy quantum simulation không nhất thiết là một quy trình hoàn toàn lượng tử. Trong thực tế, nhiều hệ thống sẽ kết hợp máy tính cổ điển; điện toán hiệu năng cao; trí tuệ nhân tạo; học máy; và máy tính lượng tử.
AI có thể hỗ trợ bằng cách:
- Sàng lọc một số lượng rất lớn phân tử hoặc vật liệu.
- Xác định những ứng viên đáng nghiên cứu nhất.
- Xây dựng mô hình xấp xỉ từ dữ liệu mô phỏng.
- Tối ưu hóa tham số của thuật toán lượng tử.
- Phân tích kết quả do thiết bị lượng tử tạo ra.
Máy tính lượng tử chỉ cần giải quyết phần đặc biệt khó, còn các bước khác được thực hiện trên máy tính cổ điển. Đây được gọi là hybrid quantum–classical computing.
Một số ứng dụng:
- Ứng dụng trong phát triển thuốc
Bài viết đặc biệt nhấn mạnh drug discovery vì phát triển một loại thuốc mới thường tốn nhiều năm và chi phí rất lớn. Mô phỏng được sử dụng để nghiên cứu:
- cấu trúc của phân tử;
- vị trí phân tử thuốc có thể gắn vào protein;
- khả năng gắn và tách khỏi mục tiêu sinh học;
- ảnh hưởng của đột biến đến tương tác giữa thuốc và protein;
- cách điều chỉnh cấu trúc phân tử để tăng hiệu quả và giảm tác dụng phụ.
Quantum simulation được kỳ vọng giúp cải thiện khâu mô phỏng, qua đó giảm số lượng hợp chất phải tổng hợp và thử nghiệm thực tế.
- Ứng dụng trong khoa học vật liệu
Một nội dung quan trọng khác là Density Functional Theory – DFT, thường dịch là lý thuyết phiếm hàm mật độ. DFT là phương pháp tính toán dùng để ước lượng cấu trúc điện tử và năng lượng của nguyên tử, phân tử hoặc vật liệu. Thay vì theo dõi trực tiếp hàm sóng cực kỳ phức tạp của tất cả electron, DFT tập trung vào mật độ electron. Từ kết quả đó, nhà khoa học có thể dự đoán:
- độ dẫn điện;
- độ bền và ổn định;
- khả năng phản ứng hóa học;
- tính chất quang học;
- tính chất nhiệt động lực học;
- khả năng lưu trữ hoặc chuyển đổi năng lượng.
Ứng dụng tiềm năng gồm thiết kế pin hiệu suất cao; pin mặt trời; chất xúc tác xanh; vật liệu bán dẫn; vật liệu nhẹ và bền; hoặc vật liệu có độ dẫn điện đặc biệt. Máy tính lượng tử được kỳ vọng cải thiện việc tính toán những cấu trúc điện tử có tương quan mạnh, nơi các phương pháp cổ điển thông thường có thể kém chính xác hoặc tốn nhiều tài nguyên.
Tài liệu tham khảo và đọc thêm
- https://thequantuminsider.com/2024/07/25/quantum-simulation-explained-the-next-big-thing-in-advanced-computing/
- https://www.quera.com/glossary/quantum-simulator
- https://mphq.physics.harvard.edu/quantum-simulation
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét