Tại sao chip lượng tử Willow lại gây sốt trong cộng đồng công nghệ toàn cầu?

Nguồn: Zeping Macro

Ngày 10/12, Google công bố thế hệ chip lượng tử mới nhất - Willow, gây chấn động dư luận công nghệ toàn cầu Ngay cả Musk cũng phải thốt lên "Chà"!

Chip Willow có gì mạnh mẽ đến vậy? Nó còn cách sản xuất hàng loạt bao xa?

1. Chip lượng tử thế hệ mới nhất của Google Willow đã được ra mắt Bước đột phá lớn nhất nằm ở sức mạnh siêu tính toán và khả năng sửa lỗi

Đối với một nhiệm vụ chuẩn có tên là "Lấy mẫu mạch ngẫu nhiên", các siêu máy tính nhanh nhất hiện nay sẽ mất 10 25 năm để giải quyết, một khoảng thời gian vượt xa tuổi của vũ trụ (26,7 tỷ năm);< /strong>Và >Willow đã hoàn thành nhiệm vụ này trong vòng chưa đầy 5 phút.

Điện toán lượng tử có khả năng tăng đáng kể tốc độ tính toán và vượt qua máy tính cổ điển trong các nhiệm vụ cụ thể, điều này được gọi là "ưu thế lượng tử". Ngay từ năm 2019, Google đã xác minh sự thật này và công bố trên tạp chí Nature, cho thấy họ đã sử dụng máy tính lượng tử 54 qubit Sycamore để đạt được một nhiệm vụ mà máy tính kiến ​​trúc truyền thống không thể hoàn thành: trở thành máy tính đầu tiên trên thế giới. một thí nghiệm cần siêu máy tính để tính toán 10.000 năm, Sycamore chỉ mất 3 phút 20 giây. Khi đó, CEO Google Sundar Pichai cho biết đây chính là “Hello World” mà các nhà nghiên cứu đã chờ đợi từ lâu, là cột mốc ý nghĩa nhất trong việc ứng dụng thực tế của điện toán lượng tử tính đến thời điểm đó.

Việc phát hành Willow chắc chắn là một sự kiện mang tính bước ngoặt khác trong lĩnh vực điện toán lượng tử.

Tuy nhiên, "nhanh" không phải là điều đáng chú ý nhất ở Willow đột phá.

Điểm nổi bật lớn nhất của Willow chính là khả năng sửa lỗi siêu phàm.

Trước đây, trong quá trình xử lý dữ liệu của chip lượng tử, do tính chất mong manh của trạng thái lượng tử nên dễ bị ảnh hưởng bởi sự can thiệp của môi trường và xảy ra hiện tượng mất kết hợp dẫn đến sai sót về trạng thái của các qubit. Vì vậy, dù có “ưu thế lượng tử” nhưng máy tính lượng tử lại dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường và rất dễ mắc lỗi. Nói chung, càng có nhiều qubit thì càng có nhiều lỗi xảy ra.

Do đó, "sửa lỗi lượng tử" đã trở thành một công nghệ then chốt. Chip lượng tử đòi hỏi công nghệ sửa lỗi lượng tử đặc biệt. Đây cũng là một thách thức quan trọng trong lĩnh vực này và từng hạn chế nghiêm trọng việc ứng dụng và tính toán lượng tử vào thực tế. phát triển.

Chip Willow đã giải quyết thành công vấn đề sửa lỗi lượng tử khiến các nhà nghiên cứu đau đầu trong gần 30 năm, đạt được tỷ lệ lỗi giảm theo cấp số nhân. Nghiên cứu của Google cho thấy rằng Willow càng sử dụng nhiều qubit thì tỷ lệ lỗi của hệ thống càng thấp.

Khi số lượng qubit tăng lên,khi mở rộng từ mảng 3×3 lên mảng 5×5 lên 7×7, mỗi lần mở rộng trong thử nghiệm chip Willow của Google đều có thể dẫn đến lỗi mã hóa. Tỷ lệ giảm 2,14 lần và tỷ lệ lỗi ngày càng giảm nhanh hơn.

2. Điện toán lượng tử là gì? 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: Nếu bạn đặt một con mèo vào một chiếc hộp có chứa chất phóng xạ, có 50% khả năng chất phóng xạ đó sẽ Phân hủy và giải phóng khí độc sẽ giết chết con mèo, nhưng có 50% khả năng chất phóng xạ sẽ không phân hủy và con mèo sẽ sống sót. Trước khi mở hộp ra, không ai biết con mèo còn sống hay đã chết, chỉ có thể miêu tả là “trong trạng thái chồng chất của sự sống và cái chết”.

Thế giới lượng tử giống như "con mèo của Schrödinger" "Tương tự, ở trạng thái chồng chất đang chờ xử lý;Lý thuyết điện toán mới tương ứng là "điện toán lượng tử" và lớp phần cứng được thể hiện bằng chip lượng tử và máy tính lượng tử.

Điện toán lượng tử cho thấy hai ưu điểm:

Thứ nhất, khả năng lưu trữ dữ liệu mạnh mẽ. Điện toán cổ điển sử dụng bit làm đơn vị cơ bản, trong khi điện toán lượng tử sử dụng qubit làm đơn vị cơ bản.

Trong điện toán cổ điển, trạng thái của một bit được xác định là 0 hoặc 1; trong khi qubit ở trạng thái chồng chất là 0 và 1. Nói cách khác, nó có thể lưu trữ 0 và 1 cùng một lúc thời gian. .

Một con chip truyền thống có n bit có thể lưu trữ n mẩu dữ liệu cùng một lúc; trong khi một con chip có n qubit có thể lưu trữ 2^n mẩu dữ liệu cùng một lúc.

Thứ hai, hãy chứng minh khả năng tính toán song song mạnh mẽ cho các vấn đề cụ thể.

Máy tính điện tử truyền thống là những phép tính nối tiếp, mỗi thao tác chỉ có thể chuyển đổi một giá trị duy nhất thành một giá trị khác, nghĩa là phải tính toán theo trình tự. Một máy tính lượng tử có thể chuyển đổi đồng thời dữ liệu 2^n thành dữ liệu 2^n mới trong một thao tác.

3. Liệu chip lượng tử trong tương lai có thể thay thế GPU và thúc đẩy sự phát triển của AI?

Công nghệ trí tuệ nhân tạo và các ứng dụng khác nhau đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, nhu cầu về sức mạnh tính toán cũng tăng theo cấp số nhân.

Về mặt lý thuyết, khả năng xử lý song song của điện toán lượng tử mang lại cho nó lợi thế tự nhiên trong việc xử lý các thuật toán trí tuệ nhân tạo phức tạp và có thể cải thiện đáng kể tốc độ đào tạo cũng như độ chính xác của mô hình. Sự xuất hiện của chip Willow có thể cung cấp sức mạnh tính toán mạnh mẽ cho sự phát triển hơn nữa của trí tuệ nhân tạo.

Trên thực tế, GPU hiện được sử dụng rộng rãi trong AI ban đầu được thiết kế để tăng tốc xử lý đồ họa. Ví dụ: kết xuất cảnh 3D trong trò chơi, xử lý mô hình và hiệu ứng đặc biệt trong sản xuất hoạt hình, hiệu ứng hình ảnh video trong sản xuất phim và truyền hình, v.v. Tuy nhiên, do sức mạnh tính toán mạnh mẽ nên GPU sau này được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực tính toán khoa học và trí tuệ nhân tạo, đặc biệt là trong giai đoạn huấn luyện mạng nơron và suy luận của deep learning. Nó hoạt động tốt trong việc xử lý các tập dữ liệu quy mô lớn và độ phân giải cao. nhiệm vụ tính toán song song xuất sắc.

Từ góc độ này, chip lượng tử sẽ dần tạo ra những bước đột phá trong tương lai, vượt qua những hạn chế về điện toán và đẩy nhanh quá trình đào tạo các thuật toán học máy AI khác nhau. Chip lượng tử hiện được sử dụng chủ yếu trong một số lĩnh vực cụ thể đòi hỏi độ phức tạp tính toán cực cao, chẳng hạn như bẻ khóa thuật toán mã hóa trong mật mã (ví dụ: gây ra mối đe dọa tiềm tàng đối với các phương thức 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 ở cấp độ lượng tử như phân tử và vật liệu), giải quyết các vấn đề tối ưu hóa phức tạp (như lập kế hoạch hậu cần, phân bổ nguồn lực và các vấn đề tối ưu hóa tổ hợp phức tạp khác), v.v. Trong những lĩnh vực này, lợi thế của điện toán lượng tử có thể được phát huy tối đa và 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 về sức mạnh tính toán của chip lượng tử chủ yếu liên quan đến sự gia tăng về số lượng và chất lượng của qubit. Trong tương lai, khi số lượng qubit tăng lên, sức mạnh tính toán của máy tính lượng tử sẽ tăng theo cấp số nhân. Mỗi qubit bổ sung sẽ nhân đôi số lượng kết hợp trạng thái có thể có. Ví dụ: 2 qubit có 4 tổ hợp trạng thái, 3 qubit có 8 tổ hợp trạng thái, v.v. Đồng thời, chất lượng của qubit (như thời gian kết hợp, độ trung thực, v.v.) cũng có tác động quan trọng đến sức mạnh tính toán. Qubit chất lượng cao có thể duy trì trạng thái lượng tử hiệu quả hơn, từ đó đạt được các phép tính chính xác và phức tạp hơn.

Tuy nhiên, trong ngắn hạn, chip lượng tử khó có thể lay chuyển được vị thế của GPU. Chip lượng tử có sức mạnh tính toán mạnh hơn GPU và về mặt lý thuyết có thể thay thế được. Nhưng lợi thế của GPU chỉ là một khía cạnh: sức mạnh tính toán. Quan trọng hơn: kiến ​​trúc có thể lập trình và lợi thế sinh thái của nhà phát triển, công nghệ sản xuất và sự trưởng thành của ngành.

Cấu trúc lập trình được của GPU và hệ sinh thái dành cho nhà phát triển là những rào cản cốt lõi. “Cuộc cách mạng sức mạnh tính toán AI” do NVIDIA phát động với GPU đã mở đường trong hơn mười năm.

CUDA (Compute Unified Device Architecture) là nền tảng kiến ​​trúc lập trình GPU đầu tiên được NVIDIA phát triển vào năm 2006. Giá trị của nó nằm ở việc xây dựng hệ sinh thái nhà phát triển GPU,Các kỹ sư thuật toán có thể khám phá khả năng của GPU theo nhu cầu riêng của họ, điều này cũng mở rộng lĩnh vực ứng dụng của GPU từ kết xuất đồ họa đến các lĩnh vực chung.

Nếu bạn phát triển phần mềm mới dựa trên phần cứng mới (chẳng hạn như chip lượng tử), bạn cần đạt được khả năng tương thích về phía trước. Tuy nhiên, phần mềm AI chính hiện tại về cơ bản dựa vào sự phát triển nền tảng CUDA, vì vậynó sẽ bị phá vỡ. từ kiến ​​trúc CUDA Có chi phí caophải trả. Cùng với hiệu ứng hào hùng của cộng đồng phát triển, nhiều nhà phát triển điện toán hiệu năng cao đã tích lũy kinh nghiệm phát triển trong hệ sinh thái CUDA có tới năm triệu lượt tải xuống mỗi năm.Việc thúc đẩy cộng đồng nhà phát triển chuyển sang các mô hình lập trình khác sẽ là điều cần thiết. Một dự án được tính trong mười năm.

Quy trình và công nghiệp sản xuất chip GPU Chuỗi đã trưởng thànhvới thị trường tiêu dùng rộng lớn vàchu kỳ ngành tích cực.

Đã 25 năm kể từ khi GPU ra đời và các kịch bản ứng dụng thương mại hạ nguồn như PC cá nhân, phát triển tùy chỉnh và trung tâm dữ liệu AI đã được hình thành từ 10 đến 30 năm. Hiện tại, GPU mất một năm từ khi thiết lập dự án chip cho đến khi hoàn thành và sản xuất hàng loạt với trọng tâm là phát triển GPU, một chu trình liên kết tương ứng đã được hình thành như phát triển thiết bị in thạch bản và quy trình đúc tấm bán dẫn. sự lặp lại. Một chuỗi công nghiệp vững chắc như vậy sẽ khó bị phá vỡ trong chu kỳ tích cực kéo dài hơn chục năm.

Chuỗi ngành sản xuất chip lượng tử và GPU khó có thể chồng chéo. Quá trình thiết kế và sản xuất chip lượng tử vô cùng phức tạp và đòi hỏi môi trường thử nghiệm có độ tinh khiết cao, công nghệ điều khiển lượng tử chính xác và qubit ổn định. Do đó, trong một thời gian dài, một số công ty công nghệ hàng đầu vẫn “làm việc một mình” và chưa trưởng thành. chuỗi cung ứng công nghiệp. Do đó, việc đạt được sản xuất hàng loạt và ứng dụng thương mại của chip lượng tử trong thời gian ngắn là một vấn đề lớn.

4. Các lĩnh vực mà chip lượng tử có tác động lớn nhất: tiền điện tử và “HPC+AI”

4.1 Chip lượng tử có thể là “kẻ thù” của tiền điện tử

Lấy Bitcoin làm ví dụ. Tính bảo mật của nó dựa trên hai cơ chế chính. Đầu tiên là cơ chế “khai thác”. Sản lượng Bitcoin dựa trên bằng chứng công việc (Proof of Work) dựa trên tỷ lệ băm càng cao thì khả năng khai thác thành công càng lớn. . Thứ hai là chữ ký giao dịch, dựa trên Thuật toán chữ ký số Elliptic Curve (ECDSA) và tương đương với "ví nhận dạng" của người dùng. Thiết kế của hai cơ chế này khiếnBitcoin gần như không thể bị bẻ khóa trong điện toán truyền thống và chip lượng tử sẽ là mối đe dọa trực tiếp đối với Bitcoin.

Đầu tiên là sự bẻ khóa thô bạo của cơ chế “khai thác” của điện toán lượng tử. Thuật toán của điện toán lượng tử có thể đẩy nhanh quá trình tính toán hàm băm, tức là tốc độ khai thác được tăng tốc và quy mô lớn hơn tất cả các thiết bị truyền thống trước đây. Do đó, tỷ lệ khai thác thành công là cao hơn. tăng lên và nguồn cung tiền điện tử tăng mạnh, dẫn đến giá thị trường của nó giảm đi. Vào ngày 10 tháng 12, Bitcoin đã giảm từ 100.000 USD xuống còn 94.000 USD. Dữ liệu của Coinglass cho thấy tổng cộng 237.000 người đã thanh lý vị thế của họ từ ngày 10 đến ngày 12 tháng 12.

Thứ hai là mối đe dọa trực tiếp của điện toán lượng tử đối với chữ ký giao dịch. Có hai loại thông tin xác thực cho các giao dịch tiền điện tử: "khóa chung" và "khóa riêng". Loại trước tương đương với số thẻ ngân hàng và loại sau tương đương với mật khẩu ví. Thông thường, việc tiết lộ địa chỉ khóa công khai không ảnh hưởng đến tính bảo mật tiền của người dùng, nhưng điện toán lượng tử có thể sử dụng khóa công khai để bẻ khóa chữ ký và giả mạo giao dịch. Ví dụ, thuật toán Shor trong điện toán lượng tử được sử dụng đặc biệt để giải quyết các vấn đề về thừa số nguyên tố và logarit rời rạc của các số nguyên lớn, điều này sẽ gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với chữ ký giao dịch.

Mặc dù hiện tại Willow không gây ra nhiều mối đe dọa đối với Bitcoin nhưng rất có khả năng tiền điện tử sẽ bị điện toán lượng tử đột phá trong tương lai. Về mặt lý thuyết, để phát động một cuộc tấn công vào chữ ký và cơ chế khai thác Bitcoin, cần khoảng vài triệu qubit vật lý. So với 105 qubit vật lý mà Willow hiện đang sở hữu, khoảng cách vẫn còn rất lớn. Nhưng nếu Willow lặp đi lặp lại như một GPU đa năng và đạt được bước nhảy vọt về sức mạnh tính toán và sản xuất hàng loạt, thì việc Bitcoin bị “thỏa hiệp” trong mười năm tới là điều không thể.

4.2 Chip lượng tử sẽ thúc đẩy "HPC+AI" và thúc đẩy sự phát triển của trí tuệ nhân tạo cao cấp

Theo phân loại AI của OpenAI, từ L1 (Chatbot) đến L5 (AGI) ), hiện tại việc phát triển các mô hình AI lớn mới chỉ đang trong giai đoạn chuyển tiếp từ L1 sang L2. AGI cấp độ L5 được định nghĩa là "có khả năng ở cấp độ tổ chức" và có thể đánh giá, suy luận, dự đoán và lập kế hoạch hành động trong môi trường thực tế năng động và phức tạp. Ngành tin rằng "HPC+AI" sẽ là bước quan trọng trong việc hiện thực hóa AGI.

Điện toán hiệu năng cao (HPC) đề cập đến việc sử dụng khả năng máy tính mạnh mẽ để giải quyết các vấn đề triển khai khoa học, kỹ thuật và công nghệ cũng tương tự như các mô hình AI lớn ngày nay ở một mức độ nhất định, nhưng phương hướng và trọng tâm thì khác.

HPC tập trung vào "Giải quyết vấn đề phức tạp". Ví dụ: ứng dụng siêu máy tính trong khí tượng học, vật lý, thiên văn học và các lĩnh vực khác đã mang lại những đột phá nghiên cứu khoa học lớn.

Mô hình AI tập trung vào "Suy luận và tạo ra".

Việc triển khai chip lượng tử là một bước đột phá mang tính cách mạng trong lĩnh vực HPC. Việc giải quyết các vấn đề phức tạp không còn đòi hỏi “tính toán bạo lực” lâu dài như HPC truyền thống mà có thể phát triển theo một hướng mới——< strong> Kết hợp với AI để có các khóa 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 mà máy tính truyền thống và xây dựngMô hình hệ thống hiện tượng nhạy cảm lượng tử không thể xử lý được s. Nghĩa là, các mô hình AI trong tương lai sẽ có khả năng suy luận và dự đoán các thế giới phức tạp, giảm thiểu hoặc thậm chí loại bỏ hiện tượng “ảo giác AI” so với các mô hình lớn hiện nay.

Thứ hai là Công nghệ sửa lỗi lượng tử Ưu điểm Chip Willow đã vượt qua những thách thức chính về sửa lỗi lượng tử và đạt được những thành tựu đáng kể giảm tỷ lệ lỗi. Trong đào tạo AI cấp cao, việc ứng dụng công nghệ sửa lỗi lượng tử có thể đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của mô hình khi đào tạo và xử lý số lượng lớndữ liệu phức tạpdữ liệu >, giảm thiểu các lỗi tính toán do tính dễ vỡ của qubit, từ đó nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của việc đào tạo AI.

Mặc dù hoạt động đào tạo AI hiện tại chưa có điều kiện để áp dụng chip lượng tử nhưng rất có thể chip lượng tử sẽ cần thiết với vai trò hỗ trợ cốt lõi cho sức mạnh tính toán trong tương lai. Do qubit cực kỳ nhạy cảm và dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường bên ngoài, bao gồm nhiệt độ và trường điện từ, các yếu tố này có thể gây ra sự mất kết hợp của các trạng thái lượng tử, từ đó ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả tính toán. Mặc dù Willow đã đạt được những tiến bộ nhất định trong công nghệ sửa lỗi lượng tử nhưng trong các ứng dụng đào tạo trí tuệ nhân tạo thực tế, để đạt được hoạt động ổn định lâu dài, độ ổn định và hiệu suất chống nhiễu của hệ thống lượng tử vẫn cần phải được cải thiện hơn nữa.

Google đã cho ra mắt Willow, một thế hệ chip điện toán lượng tử mới, gây chấn động lớn trong cộng đồng công nghệ toàn cầu. Đây không chỉ là bước đột phá lớn trong lĩnh vực điện toán lượng tử mà còn là bước đột phá tiếp theo. đỉnh cao của công nghệ toàn cầu.

Con đường phát triển công nghệ điện toán lượng tử trong tương lai vẫn còn nhiều chông gai và còn nhiều vấn đề cần giải quyết trước khi ứng dụng quy mô lớn vào đào tạo AI.

Tiến bộ công nghệ chưa bao giờ là một con đường bằng phẳng, cũng như GPU đã đi từ chỗ mờ mịt trở nên rực rỡ.