Cắt nhiễu cho các máy tính lượng tử

Một nhóm các nhà nghiên cứu của trường đại học Dartmouth và Viện Công nghệ MIT đã thiết kế và thực hiện thành công thử nghiệm đầu tiên về phát hiện và mô tả đặc điểm của một lớp phức hệ, các quá trình nhiễu “phi Gauss” mà các hệ máy tính lượng tử siêu dẫn thường gặp.

Nhóm nghiên cứu của Lorenza Viola tại trường đại học Dartmouth. Nguồn: trường Dartmouth

Đặc điểm của nhiễu “phi Gausse” trong các bit lượng tử siêu dẫn là một bước quan trọng hướng tới việc tạo cho các hệ này thêm chính xác hơn.

Nghiên cứu này mới chấp nhận xuất bản trên tạp chí Nature Communications “Quang phổ học phi Gauss với một cảm biến bit lượng tử siêu dẫn có thể giúp gia tốc việc thực hiện các hệ máy tính lượng tử” (Non-Gaussian noise spectroscopy with a superconducting qubit sensor could help accelerate the realization of quantum computing systems). Thí nghiệm này được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu về lý thuyết tại trường đại học Dartmouth và xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters vào năm 2016.

“Đây là bước cụ thể đầu tiên hướng tới việc cố gắng mô tả các quá trình nhiễu mang nhiều tính phức tạp hơn so với các nhiễu thường gặp trong các miền lượng tử”, Lorenza Viola, một giáo sư vật lý ở Dartmouth từng dẫn dắt nghiên cứu lý thuyết vào năm 2016 và hiện cũng phụ trách phần lý thuyết của nghiên cứu hiện tại, nói. “Vì các đặc tính được kết hợp trong các bit lượng tử đang được dần dần cải thiện, nên điều quan trọng là dò nhiễu phi Gauss để tạo ra các hệ lượng tử với độ chính xác cao nhất có thể.

Các máy tính lượng tử phân biệt với các máy tính thông thường bằng việc vượt ra ngoài trình tự “tắt bật” nhị phân ưa thích của vật lý cổ điển. Các máy tính lượng tử phụ thuộc vào các bit lượng tử – hay còn được gọi là các qubit, được tạo ra từ các nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử.

Một cách mấu chốt thì các qubit có thể “đặt chỗ” trong một vị trí kêt hợp của cả hai vị trí “tắt” và “bật” trong cùng một thời điểm. Chúng có thể ở trạng thái “rối”, nghĩa là các đặc tính của một qubit có có thể ảnh hưởng đến trạng thái của qubit khác trong khoảng cách.

Các hệ qubit siêu dẫn được coi là môt trong những ứng cử viên hàng đầu trong cuộc chạy đua xây dựng các máy tính lượng tử hiệu năng cao và quy mô lớn. Nhưng giống như các nền tảng qubit, chúng hết sức nhạy cảm với môi trường của chúng và có thể bị cả nhiễu bên trong và bên ngoài ảnh hưởng.

Nhiễu bên ngoài trong các hệ máy tính lượng tử có thể đến từ các thiết bị kiểm soát hoặc các từ trường đi lạc còn nhiễu bên trong có thể do các hệ lượng tử không kiểm soát như các tạp chất trong vật liệu. Khả năng để giảm bớt nhiễu là mối quan tâm chính trong phát triển các máy tính lượng tử.

“Hiện tại, rào cản lớn nhất ngăn chúng tôi có các máy tính lượng tử cỡ lớn chính là vấn đề nhiễu này”, Leigh Norris, một postdoc tại Dartmouth và là đồng tác giả nghiên cứu nhận xét. “Do đó nghiên cứu này đưa chúng tôi tới việc hiểu nhiều hơn về nhiễu, tiến tới việc cắt giảm chúng, và hi vọng là có thể có được một máy tính lượng tử vào một ngày nào đó”.

Các nhiễu không mong muốn thường được miêu tả bằng thuật ngữ các mô hình Gauss đơn giản, trong đó việc phân bổ xác suất của các dao động ngẫu nhiên của nhiễu tạo ra một đường cong Gauss hình chuông quen thuộc. Thật khó để dò và miêu tả nhiễu phi Gauss bởi vì nó nằm ngoài phạm vi hiệu lực của các giả định này và cũng bởi nó đơn giản là quá ít.

Bất cứ khi nào các đặc tính thống kê nhiễu là Gauss, một số lượng nhỏ thông tin có thể được dùng để biểu thị đặc điểm của các nhiễu này – các mối tương quan này tại hai khoảng thời gian riêng biệt, hoặc tương đương, dưới dạng một miêu tả miền tần số, vẫn được gọi là “phổ nhiễu”.

Nhờ có độ nhạy cao của chúng với môi trường xung quanh, các qubit có thể được sử dụng như các cảm biến nhiễu của chính chúng. Trên chính ý tưởng đó, các nhà nghiên cứu đã  đạt được tiến bộ trong phát triển các kỹ thuật nhận diện và giảm bớt nhiễu Gauss trong các hệ lượng tử, tương tự cách các tai nghe tự cắt nhiễu hoạt động.

Trong khi không phổ biến như nhiễu Gauss, việc nhận diện và cắt nhiễu phi Gauss là thách thức không kém khi hướng đến việc tối ưu trong thiết kế các hệ lượng tử.

Nhiễu phi Gauss được phân biệt bằng nhiều mẫu hình tương quan phức tạp hơn, bao gồm nhiều điểm phức tạp trong một thời điểm. Kết quả là nhiều thông tin về nhiễu cần được nhận diện.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã có khả năng tính gần đúng các đặc đểm của nhiễu phi Gauss bằng việc sử dụng thông tin về các tương quan tại ba thời điểm khác nhau, tương ứng với bispectrum – một thống kê sử dụng để tìm kiếm các tương tác phi tuyến, trong miền tần số này.

“Đây là lần đầu tiên, đặc điểm chuyển tần số và chi tiết và của nhiễu phi Gauss có thể được thực hiện trong một phòng thí nghiệm với các qubit. Kết quả này mở rộng một cách đáng kể hộp công cụ mà chúng tôi có sẵn để miêu tả đặc điểm của nhiễu và do đó tạo ra các qubit trong các máy tính lượng tử bền hơn và tốt hơn”, Viola nói.

Một máy tính lượng tử không thể cảm nhận được nhiễu phi Gauss có thể dễ dàng “bối rối” giữa tín hiệu lượng tử cần xử lý và nhiễu không mong muốn trong hệ này. Các giao thức để đạt được phổ nhiễu phi Gauss không tồn tại cho đến khi các nhà nghiên cứu công bố công trình vào năm 2016.

Trong khi thí nghiệm của MIT xác nhận giao thức này không thể lập tức tạo ra các máy tính lượng tử cỡ lớn thì đây cũng là bước tiến lớn hướng tới việc làm chúng trở nên chính xác hơn.

“Nghiên cứu này bắt đầu từ việc tính toán lý thuyết. Chúng tôi không biết nếu ai đó sẽ có khả năng đưa nó vào thực tế nhưng bất chấp những thách thức đáng kể về lý thuyết và thực nghiệm, nhóm nghiên cứu ở MIT đã làm được đều đó”, Felix Beaudoin, một cựu postdoc trong nhóm nghiên cứu của Viola tại Dartmouth và đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối lý thuyết và thực nghiệm trong nghiên cứu này, cho biết.

“Việc hợp tác với Lorenza Viola và nhóm nghiên cứu lý thuyết tuyệt vời của bà tại Dartmouth là một niềm vui thực sự”, William Oliver, một giáo sư vật lý ở MIT, nói. “Từ trước đến nay, chúng tôi đã làm việc với nhau trong nhiều dự án, và như chuyển điện toán lượng tử từ sự tò mò khoa học thuần túy đến thực tế kỹ thuật, tôi dự đoán sự cần thiết phải có thêm nhiều hợp tác liên viện và liên ngành hơn”.

Theo nhóm nghiên cứu, vẫn còn cần đến nhiều năm nữa để công trinh nghiên cứu này đạt  tới độ hoàn hảo trong việc dò và cắt nhiễu trong các hệ lượng tử. Cụ thể, nghiên cứu tương lai sẽ chuyển từ hệ một cảm biến sang hệ hai cảm biến, có khả năng mô tả các tương quan nhiễu trên khắp các qubit khác nhau.  

Tô Vân dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-09-advance-noise-cancelling-quantum.html