Phần mềm ANSYS hỗ trợ phát triển thế hệ máy tính lượng tử mới

Mark Nissen, Giám đốc điều hành và Sergey Uchaikin, Cố vấn khoa học, Hệ thống D-Wave, Vancouver, Canada

Máy tính lượng tử dựa vào tiến bộ của cơ học lượng tử để tăng tốc độ tính toán trong các bài toán quan trọng với quy mô khác nhau. Để khai thác máy tính lượng tử hiệu quả thì phải giảm nhiệt độ của bộ vi xử lý xuống gần như không độ tuyệt đối và giảm độ phân tán từ trường xuống dưới 50,000 lần so với từ trường của trái đất.

D-Wave sử dụng ANSYS ElectroMagnetic và các công cụ mô phỏng nhiệt để đạt được những mục tiêu này trong thời gian ngắn hơn và ít thử nghiệm vật lý hơn.

“Các kỹ sư sử dụng mô phỏng đa trường bao gồm ANSYS Maxwell và ANSYS Mechanical được tích hợp trong môi trường ANSYS Workbench”

Dự báo thị trường Internet of Things (IoT) cho thấy: hơn một nghìn tỷ cảm biến sẽ sớm được triển khai trên toàn thế giới để thu thập dữ liệu. Dữ liệu này có thể dùng để định vị các đối tượng, tìm hiểu và cải thiện hiệu suất các sản phẩm công nghiệp, hoặc hỗ trợ những nghiên cứu quan trọng để ngăn ngừa và chữa bệnh.

Ví dụ, một máy bay Airbus thuộc dòng 380-1.000 đòi hỏi cần hơn 20.000 cảm biến và chúng tạo ra hơn 7,5 terabyte dữ liệu mỗi ngày. Bằng việc phân tích dữ liệu từ hàng trăm chiếc máy bay, các hãng hàng không và các nhà cung cấp có thể cải thiện độ tin cậy và hiệu suất của ngành hàng không.

Với khối lượng, tốc độ và sự đa dạng của dữ liệu đang tăng lên nhanh chóng thì tính toán lượng tử sẽ trở thành công nghệ thiết yếu để thu thập thông tin chi tiết và kết quả. Trong khi các máy tính thông thường lưu trữ thông tin bằng cách sử dụng các mã nhị phân (chỉ có 2 ký tự 0 và 1) thì ở một máy tính lượng tử, đơn vị thông tin được gọi là một “qubit”, có thể là 0 hoặc 1 hoặc cả hai trong cùng một thời điểm.

Điều này cho phép các máy tính lượng tử xem xét và vận dụng tất cả những cách kết hợp của các “bit”, khiến nó trở nên rất mạnh mẽ. Ví dụ, bộ vi xử lý D-Wave 2X™ với 1.000 qubit có thể đánh giá được 21.000 phép tính cho một vấn đề cùng một lúc.

Chip được sử dụng trong máy tính lượng tử D-wave

Các máy tính lượng tử D-Wave thực hiện thuật toán gia tăng lượng tử để tìm ra cực tiểu chung của bài toán, và giải quyết một loạt khó khăn về tính toán như: kiểm soát rủi ro trong danh mục tài chính, giảm thiểu lỗi trong hệ thống nhận dạng giọng nói và giảm tổn thất năng lượng trong điện lưới. Những vấn đề này được xem như các bài toán tối ưu với mục tiêu là tìm vị trí thấp nhất trong một khu vực phức tạp gồm nhiều đỉnh núi và thung lũng.

Mỗi phương án khả dụng sẽ được ánh xạ đến tọa độ trên khu vực đó, và độ cao của vị trí đó chính là năng lượng hoặc chi phí của giải pháp tại thời điểm đó. Mục đích là tìm ra điểm thấp nhất hoặc những vị trí của điểm đó trên hệ trục tọa độ vì điều này cần năng lượng ít nhất hoặc giải pháp tối ưu cho vấn đề. Một máy tính cổ điển giống như một khách du lịch đang khám phá bề mặt của cảnh quan tại một vị trí ở một thời điểm.

Một máy tính lượng tử thực hiện điều đó theo cách tương tự nhưng bao phủ toàn bộ môi trường với một lớp nước. Nước càng tràn vào thung lũng thì khả năng cao giải pháp đang nằm ở thung lũng ấy.

Thử thách trong việc tạo môi trường cách ly

Để một máy tính lượng tử hoạt động bình thường, bộ vi xử lý lượng tử phải hoạt động trong một môi trường cực lạnh và cách ly điện từ. Bộ vi xử lý D-Wave sử dụng các “qubit” dựa trên đơn vị lượng tử của từ trường, do đó việc loại bỏ tất cả các nguồn từ trường là đặc biệt quan trọng. Điều cần thiết để cô lập bộ vi xử lý lượng tử từ môi trường xung quanh là giảm nhiệt độ của nó đến gần như không độ tuyệt đối để hoạt động theo phương pháp lượng tử.

Những máy tính lượng tử D-Wave sử dụng thiết bị làm lạnh và nhiều lớp bảo vệ để tạo môi trường bên trong có nhiệt độ gần không độ tuyệt đối, cách ly với từ trường bên ngoài, dao động và các tín hiệu RF bên ngoài. Bộ vi xử lý D-Wave 2X hoạt động ở nhiệt độ 15 milliKevin, tức là lạnh hơn khoảng 180 lần so với không gian giữa các vì sao.

Bộ vi xử lý lượng tử bị ảnh hưởng xấu bởi khuếch tán từ, do đó cần phải loại trừ chúng. Các hệ thống phụ chắn từ trường giúp giảm từ trường nhỏ hơn 1 nanotesla trên bộ xử lý theo mỗi trục. Con số này ít hơn khoảng 50.000 lần từ trường của Trái Đất.

ANSYS Maxwell 2D xác định rò rỉ thông qua lớp chắn

ANSYS Maxwell 3D

Các yêu cầu cần thiết để tối ưu hiệu suất máy tính lượng tử ngày càng nhiều hơn so với các thế hệ siêu máy tính trước đó, và còn tiếp tục tăng lên với mỗi thế hệ sản phẩm mới. Vì vậy, D-Wave liên tục đẩy mạnh kỹ thuật ở cả hai mảng công nghệ cách ly nhiệt độ và cách ly điện từ. Nhiệm vụ này rất phức tạp vì thực tế, sự thay đổi nhiệt độ làm thay đổi tính chất của màn chắn từ, trong khi các từ trường nhỏ xâm nhập vào màn chắn từ sinh ra nhiệt, từ đó sẽ làm thay đổi tính chất của màn chắn từ.

Trước đây, D-Wave đã dùng sổ tay tính toán như điểm bắt đầu trong thiết kế của màn chắn từ trường cho các máy tính lượng tử. Các phép tính chỉ chính xác khi dùng cho các hình học đơn giản, vì vậy các kĩ sư chủ yếu dựa vào các thí nghiệm vật lý để thiết kế màn chắn từ trường. Những thí nghiệm này thường đắt và tốn nhiều thời gian vì cần phải thực hiện trong điều kiện lạnh. Một hạn chế khác của các thí nghiệm này là chỉ có một vài cảm biến cố định bên trong màn chắn từ, giới hạn số lượng thông tin có thể thu được.

“Để máy tính lượng tử có thể hoạt động bình thường, bộ vi xử lý lượng tử cần hoạt động trong môi trường cực lạnh và cách ly trường điện từ”

Những công cụ mô phỏng trao đổi dữ liệu liên tục

D-Wave đã thử và thấy một số công cụ mô phỏng kết nối với nhau không tốt. Hiện nay, các kĩ sư sử dụng ANSYS Maxwell và ANSYS Mechanical trong môi trường ANSYS Workbench để tự động hoá quá trình trao đổi dữ liệu giữa hai gói phần mềm cho các mô phỏng đa trường. Các nhà khoa học của D-Wave sử dụng Maxwell để mô hình hóa hoạt động của các tấm bảo vệ và các từ trường dư còn sót lại trên các chip sẽ được hiển thị.

Thông tin này được chuyển đển ANSYS Mechanical để mô phỏng các tác động của những trường này trên màn chắn từ, các chip và các thành phần khác, để tính nhiệt được tạo ra trong từ trường và xác định ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt đến các tính chất của vật liệu đang được mô phỏng. ANSYS Mechanical chuyển thông tin này đến Maxwell để cập nhật mô phỏng điện từ, tính đến các thay đổi về tính chất của vật liệu.

Mô phỏng ANSYS Maxwell của một tạp chất nhiễm từ nằm trên chip D-Wave DW2X gần với khu vực hoạt động của bộ xử lý

Tối ưu hóa màn chắn điện tử

Trong thiết kế của một màn chắn từ phổ biến, các kĩ sư D-Wave đánh giá hiệu suất của màn chắn ở khía cạnh từ trường xa, giống như từ trường của Trái Đất, và từ trường gần, có thể do một lượng nhỏ vật liệu từ. Các kĩ sư thường tạo ra các vật liệu riêng bằng cách nhập các đường cong từ trễ, còn gọi là đường cong B-H, lấy từ dữ liệu kiểm tra vật lý.

Tạo lưới cho mô phỏng điện từ của màn chắn từ là một thách thức vì sự khác biệt trong quy mô giữa các tính năng lớn và nhỏ của màn chắn từ, thường được chia thành năm mức độ của màn chắn. Các nhà khoa học D-Wave đã gặp khó khăn trong việc hội tụ bài toán với các bộ giải điện từ khác. Công cụ chia lưới Maxwell tự động tăng mật độ lưới trong các khu vực có Gradient cao trong khi giảm mật độ ở các vùng có Gradient thấp để bài toán dễ hội tụ hơn.

Mô phỏng Maxwell xác định bất kì điểm yếu nào trong thiết kế màn chắn từ, chẳng hạn như các vùng bị xâm nhập bởi từ trường bên ngoài. Mô phỏng cũng cho thấy các ảnh hưởng của sự che chắn trên từ trường bên ngoài. Dựa vào các kết quả mô phỏng, các kĩ sư D-Wave sẽ thay đổi thiết kế màn chắn từ, ví dụ như tăng độ dày ở những khu vực nhận thấy sự đâm xuyên.

Ngoài ra, các kĩ sư còn cố gắng giảm thiểu khối lượng của màn chắn từ vì khối lượng tăng thêm sẽ đòi hỏi thêm chi phí và thời gian cần thiết để làm mát màn chắn đến nhiệt độ lạnh. Họ thường giảm khối lượng ấy bằng cách loại bỏ bớt vật liệu ở một số khu vực của màn chắn nơi mà hiệu suất là quá mức cần thiết.

Mô phỏng giúp các kĩ sư và các nhà khoa học đánh giá thiết kế trong công nghệ cách ly điện từ, đề xuất và các ý tưởng cải tiến mà không cần tới các thử nghiệm và kiểm tra vật lý đắt đỏ. Mô phỏng cung cấp những tính toán toàn diện hơn về những chỗ rò rỉ của màn chắn để đơn giản hoá quá trình phát triển các thiết bị phụ trợ.

Các giải pháp của ANSYS giúp D-Wave tối ưu hoá những máy tính lượng tử với tốc độ nhanh hơn đồng thời cung cấp cái nhìn toàn diện giúp việc đạt được bước nhảy vọt về hiệu suất trong thế hệ máy tính tiếp theo. Điều này cực kì quan trọng và có thể giúp các tổ chức có được thông tin từ lượng dữ liệu khổng lồ của IoT tạo ra.

---

Nguồn: ANSYS Advantage V10I2, 2016

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này