Blog

Trong thế giới khoa học hiện đại, nơi mỗi electron hay photon có thể cùng lúc dao động trong hàng nghìn tỷ trạng thái, việc mô phỏng hệ lượng tử trở thành một trong những thách thức lớn nhất mà nhân loại từng đối mặt. Từ các phương trình Schrödinger phức tạp đến không gian Hilbert nhiều chiều, mọi thứ đều vượt khỏi khả năng của phần cứng thông thường.

Những mô phỏng lượng tử như vậy thường đòi hỏi siêu máy tính – với hàng nghìn GPU, tiêu thụ hàng megawatt điện năng, và chạy suốt nhiều tuần. Nhưng giờ đây, các nhà vật lý tại Đại học Buffalo (University at Buffalo, Mỹ) đã tìm ra một cách để rút gọn phép tính lượng tử khổng lồ thành mô hình có thể chạy trên máy tính cá nhân.

Phương pháp đó được gọi là Truncated Wigner Approximation (TWA) – một “đường tắt toán học” trong vật lý lượng tử. Tuy không mới, nhưng nhóm Buffalo đã nâng cấp nó thành một công cụ mạnh mẽ và thực tiễn, có khả năng mô phỏng các hệ lượng tử thực tế – nơi năng lượng liên tục trao đổi với môi trường – mà trước đây chỉ siêu máy tính mới xử lý được.

🌌 Khi thế giới lượng tử trở nên quá thật để tính toán

Để hình dung quy mô vấn đề, hãy tưởng tượng: một hệ gồm chỉ 50 hạt lượng tử có thể tồn tại trong hơn 2⁵⁰ trạng thái khác nhau, tức là hơn một triệu tỷ khả năng. Mỗi trạng thái lại có thể rối với các hạt khác theo vô số cách. Nếu bạn muốn mô phỏng toàn bộ những xác suất đó, bạn sẽ cần đến bộ nhớ nhiều hơn cả số nguyên tử trong Hệ Mặt Trời.

Đây là lý do tại sao việc mô hình hóa chính xác các hệ lượng tử — dù chỉ là vài chục hạt — lại khó đến mức khủng khiếp. Dù vật lý lượng tử nắm giữ chìa khóa của các công nghệ tương lai như máy tính lượng tử, vật liệu siêu dẫn, hay cảm biến lượng tử, nhưng cách để tính toán và mô phỏng chúng luôn là bài toán nan giải.

⚖️ Phương pháp bán cổ điển – khi vật lý chọn con đường “vừa phải”

Thay vì cố gắng giải toàn bộ hệ lượng tử, các nhà khoa học thường dùng phương pháp bán cổ điển (semiclassical approach).
Đây là cách kết hợp giữa hai thế giới: giữ lại các đặc trưng lượng tử quan trọng nhất (như rối, nhiễu, dao động), nhưng mô phỏng bằng các phương trình cổ điển đã được lượng tử hóa nhẹ.

Kỹ thuật Truncated Wigner Approximation (TWA) ra đời vào thập niên 1970 chính là một ví dụ tiêu biểu.
Nó giúp mô phỏng động lực học lượng tử bằng cách lấy mẫu xác suất trong không gian pha cổ điển, thay vì phải xử lý trực tiếp hàm sóng khổng lồ.

Tuy nhiên, TWA truyền thống chỉ hiệu quả với các hệ cô lập, tức là không có sự mất mát năng lượng hay tương tác với môi trường. Trong khi đó, hầu hết các hiện tượng vật lý thực — từ qubit trong máy tính lượng tử cho đến electron trong vật liệu — đều chịu ảnh hưởng tiêu tán, nhiễu, và tương tác phức tạp.

🚀 Cải tiến TWA: Bước ngoặt từ Đại học Buffalo

Nhóm của Giáo sư Jamir Marino tại Đại học Buffalo đã khắc phục nhược điểm đó bằng cách mở rộng TWA sang các hệ có tiêu tán năng lượng (dissipative systems).
Điều này cho phép mô phỏng những hiện tượng gần với thực tế hơn, như rối lượng tử trong môi trường nhiễu, tương tác spin trong từ trường biến đổi, hoặc sự mất pha trong qubit.

Marino chia sẻ trong bài công bố trên PRX Quantum:

“Cách tiếp cận của chúng tôi có chi phí tính toán thấp hơn đáng kể và công thức toán học đơn giản hơn rất nhiều. Tôi tin rằng, trong tương lai gần, phương pháp này sẽ trở thành công cụ chủ đạo để khám phá động lực học lượng tử – ngay cả trên máy tính phổ thông.”

Nhờ đó, những bài toán từng cần đến cụm siêu máy tính giờ đây có thể chạy trên máy trạm hiệu năng cao (HPC mini) hoặc thậm chí máy tính xách tay cấu hình mạnh.

💻 Học trong một ngày, mô phỏng trong ba ngày

Đồng tác giả Oksana Chelpanova, hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Buffalo, cho biết:

“Các nhà vật lý có thể học phương pháp này chỉ trong một ngày. Và đến ngày thứ ba, họ đã có thể chạy mô phỏng những bài toán lượng tử phức tạp mà trước đây phải nhờ siêu máy tính.”

Thay vì hàng tuần tính toán trên cụm HPC, nay các nhóm nghiên cứu có thể thực hiện mô phỏng trong vài giờ – ngay trên máy trạm GPU chuyên dụng.
Các dòng workstation HPC mini với CPU đa nhân (như AMD Threadripper PRO, Intel Xeon W) và GPU NVIDIA A6000 có thể chạy hàng trăm mô phỏng song song, đủ cho hầu hết các hệ lượng tử trung bình.

Điều này mở ra kỷ nguyên mới của “dân chủ hóa nghiên cứu lượng tử”, nơi các nhóm nhỏ, phòng thí nghiệm đại học, hay startup công nghệ cũng có thể làm nghiên cứu mô phỏng lượng tử mà không cần hạ tầng khổng lồ.

🔬 Liên kết mô phỏng – thực nghiệm: Khi lý thuyết gặp phòng thí nghiệm

Một mô hình lượng tử không chỉ dừng ở con số trên màn hình. Nó phải được kiểm chứng bằng thực nghiệm – và đây là lúc những thiết bị công nghệ lượng tử tiên tiến như của ADST phát huy vai trò quan trọng.

Tại Việt Nam, ADST đang là đơn vị tiên phong cung cấp thiết bị nghiên cứu lượng tử, bao gồm:

• 🧩 Máy tính lượng tử siêu dẫn IQM Spark – 5 Qubit
  Đây là hệ lượng tử thực tế với 5 qubit siêu dẫn, hoạt động ở nhiệt độ dưới 20 milliKelvin, cho phép thử nghiệm thuật toán lượng tử, đo decoherence, và mô phỏng các hiện tượng spin thực.
  IQM Spark được thiết kế cho mục đích đào tạo, nghiên cứu, và thử nghiệm mô hình lượng tử, rất phù hợp để kiểm chứng những kết quả từ mô phỏng TWA mở rộng. Khi TWA dự đoán sự thay đổi pha hoặc tương tác spin, IQM Spark có thể cung cấp dữ liệu thực tế, giúp nhà nghiên cứu so sánh trực tiếp giữa mô phỏng và hiện tượng vật lý thật.
• ❄️ Hệ thống làm lạnh pha loãng LD400 (Dilution Refrigerator)
  Thiết bị làm lạnh sử dụng hỗn hợp helium-3/helium-4, có khả năng hạ nhiệt độ xuống dưới 10 millikelvin – môi trường cần thiết để vận hành qubit siêu dẫn hoặc đo đạc dao động lượng tử cực nhỏ.
  Trong bối cảnh nghiên cứu về “động lực học tiêu tán” mà TWA mở rộng đề cập, LD400 giúp các nhà khoa học tái tạo chính xác điều kiện thực nghiệm lượng tử nơi năng lượng bị tiêu tán chậm và có thể theo dõi các hiệu ứng rối lượng tử.

🧠 Từ mô phỏng đến thực tế: Khi phòng lab kết nối laptop

Điều thú vị là, nhờ TWA mở rộng, các nhà khoa học có thể mô phỏng trước các trạng thái qubit hoặc spin ở điều kiện tiêu tán – rồi chuyển trực tiếp mô hình đó sang thực nghiệm với thiết bị như IQM Spark hoặc LD400.
Đây là mô hình “hai chiều”: lý thuyết → mô phỏng → kiểm chứng thực → hiệu chỉnh mô hình → tối ưu vật lý.

Ví dụ, một nhóm nghiên cứu có thể:

1. Dự đoán hành vi decoherence bằng mô hình TWA mở rộng.
2. Thực hiện đo lường tương tự trên hệ 5 qubit của IQM Spark ở 10 mK.
3. So sánh kết quả và tinh chỉnh mô hình để dự đoán chính xác hơn.

Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí thí nghiệm mà còn tăng tốc chu trình khám phá vật liệu và thuật toán lượng tử mới.

🧩 Thiết bị hỗ trợ – nền tảng cho mô phỏng và đo lường lượng tử

Bên cạnh hai thiết bị chủ lực, ADST còn cung cấp nhiều thiết bị bổ trợ cho nghiên cứu lượng tử, giúp biến mô hình TWA thành công cụ thực hành trong phòng lab:

• Low Noise Amplifiers (LNF) – Bộ khuếch đại nhiễu thấp, cần thiết cho đo tín hiệu cực yếu từ qubit hoặc photon.
• Spectrum Analyzer & Lock-in Amplifier – Phân tích phổ tần và pha tín hiệu lượng tử với độ chính xác cực cao.
• Nguồn laser điều chỉnh tần số (Tunable Laser Source) – hỗ trợ thí nghiệm quang lượng tử và kiểm chứng mô hình decoherence quang học.
• Cryogenic Preamp / DC Amplifier – dùng để khuếch đại tín hiệu ở môi trường siêu lạnh mà không làm nhiễu hệ.

Những thiết bị này chính là “cầu nối” giữa mô phỏng lý thuyết (như TWA) và đo đạc thực nghiệm, giúp quá trình nghiên cứu trở nên đồng bộ – từ laptop đến phòng lab.

🧮 Giải phóng siêu máy tính cho những bài toán thật sự khổng lồ

Nhờ phương pháp này, các nhóm nghiên cứu có thể phân loại bài toán lượng tử theo độ phức tạp.
Các hệ trung bình hoặc nhỏ (vài chục spin, vài qubit) – có thể mô phỏng bằng TWA trên workstation HPC mini.
Các hệ lớn hơn – có thể dùng cụm GPU hoặc cluster nhỏ.
Và chỉ những hệ thật sự khổng lồ – hàng trăm qubit – mới cần đến siêu máy tính quốc gia hoặc cloud lượng tử.

Marino nhận định:

“Rất nhiều hệ trông phức tạp nhưng thực ra không đến mức đó. Chúng ta nên để siêu máy tính giải quyết những hệ thật sự khổng lồ – nơi số trạng thái vượt cả số nguyên tử trong vũ trụ.”

Điều này đồng nghĩa với việc tài nguyên siêu máy tính sẽ được dành cho những hệ lượng tử khổng lồ thật sự, còn lại phần lớn các nghiên cứu có thể chạy tại chỗ với công cụ hợp lý – như TWA mở rộng kết hợp phần cứng của ADST.

🧪 Từ lý thuyết đến công nghệ lượng tử thực tế

Sự kết hợp giữa mô hình TWA cải tiến và các thiết bị như IQM Spark hay LD400 mở ra con đường mới cho nghiên cứu lượng tử tại Việt Nam.
Nhờ khả năng mô phỏng nhanh, chi phí thấp, và dễ tiếp cận, các trường đại học, viện nghiên cứu, hay startup có thể bắt đầu thử nghiệm công nghệ lượng tử mà không cần đầu tư hạ tầng siêu máy tính.

Điều này đặc biệt quan trọng trong các lĩnh vực:

• Spintronics: nghiên cứu vật liệu dựa trên spin electron.
• Quantum sensing: phát triển cảm biến lượng tử độ nhạy cực cao.
• Quantum computing: thiết kế và kiểm chứng thuật toán qubit.
• Quantum communication: mô phỏng nhiễu và mất pha trong truyền dẫn quang.

TWA mở rộng có thể giúp mô phỏng động lực học của từng hiện tượng, sau đó kiểm chứng trên thiết bị thật — tạo nên chu trình “mô phỏng → thực nghiệm → tối ưu → ứng dụng”.

🌐 Nguồn lực quốc tế và sự hợp tác mở

Công trình TWA mở rộng được thực hiện khi Marino còn ở Đại học Johannes Gutenberg Mainz (Đức), với sự hợp tác của Hossein Hosseinabadi và Oksana Chelpanova, cùng tài trợ từ:

• Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (NSF)
• Quỹ Nghiên cứu Đức (DFG)
• Liên minh Châu Âu (EU)

🏁 Kết luận: Dân chủ hóa vật lý lượng tử

Nếu trước đây vật lý lượng tử là “ngọn núi” chỉ dành cho những trung tâm có siêu máy tính, thì nay, với TWA mở rộng và các thiết bị như IQM Spark hay LD400, ngọn núi đó đã có đường mòn cho mọi nhà nghiên cứu cùng leo.

Bạn có thể bắt đầu bằng mô phỏng TWA trên workstation, sau đó chuyển sang kiểm chứng trên hệ 5 qubit thật – tất cả trong phạm vi một phòng thí nghiệm đại học.

Đó chính là sự dân chủ hóa khoa học: biến điều phức tạp thành điều khả thi, biến lượng tử thành lĩnh vực ai cũng có thể chạm tới.