Máy tính lượng tử của Google đạt được cột mốc quan trọng nhờ giảm nhiễu

Các nhà nghiên cứu đã lần đầu tiên chứng minh là sử dụng nhiều bit lượng tử hơn có thể làm giảm tỉ lệ nhiễu của các tính toán lượng tử.

Các nhà vật lý tại Google đã đạt đến mốc mà họ miêu tả là cột mốc thứ hai trên con đường dẫn đến một máy tính lượng tử thực thụ. Tại một phòng thí nghiệm ở Santa Barbara, California, họ đã chứng tỏ mà mình có thể làm giảm nhiễu trong các phép tính nhiều hơn bằng việc sử dụng mã lượng tử lớn hơn.

Kết quả này đã được nêu trong một bài báo xuất bản trên Nature 1, nối tiếp một thực nghiệm được ca ngợi vào năm 2019, trong đó một máy tính lượng tử của Google đạt tới mức “tăng cường lượng tử” – bằng việc thực hiện một phép tính có thể mất hàng ngàn năm trên máy tính thông thường.

Việc chỉnh sửa nhiễu là một trong những yêu cầu không thể tránh nếu các máy tính lượng tử theo đuổi những hứa hẹn về khả năng giải quyết được những bài toán nằm ngoài phạm vi chạm đến của các máy tính cổ điển – như phân tích các số nguyên thành số nguyên tố hoặc hiểu một cách chi tiết hành xử của các xúc tác hóa học.

“Thành công của Google thật vô cùng ấn tượng vì vô cùng khó để có được mức thể hiện tốt hơn với quy mô mã lớn”, Barbara Terhal, một nhà vật lý lý thuyết là hcuyeen gia về sửa lỗi lượng tử tại ĐH Công nghệ Delft Hà Lan, nhận xét. Việc cải thiện này vẫn còn tương đối nhỏ, các nhà nghiên cứu ở Google thừa nhận, và tỉ lệ nhiễu vẫn cần được giảm xuống nhiều hơn. “Mới chỉ làm tốt được một chút, chugns tôi cần phải làm tốt hơn nữa”, Hartmut Neven – người giám sát bộ phận máy tính lượng tử ở trụ sở của Google tại Mountain View, California – cho biết trong một thông cáo báo chí.

Sửa lỗi

Tất cả các má tính đều có thể gặp lỗi. Con chip của một máy tính thông thường lưu trữ thông tin trong các bit (thông tin được mã hóa thành 0 hoặc 1) và sao chép một số thông tin thành các bit ‘sửa lỗi’ thừa. Khi một lỗi xuất hiện – như một kết quả của các electron rời rạc băng qua một thanh chắn barrier thiếu hoàn hảo hoặc một hạt tia vũ rụ làm biến dạng mạch – con chip có thể điểm một cách tự động lỗi này và tập trung vào nó.
“Trong thông tin lượng tử, chúng tôi không thể làm được điều đó”, Julian Kelly, giám đốc phần cứng của Google, nói. Các máy tính lượng tử đều dựa trên các trạng thái lượng tử mà người ta gọi là các qubit, có thể tồn tại một hỗn hợp của các trạng thái ‘0’ và ‘1’. Một qubit không thể được đọc mà không có được đầy đủ trạng thái lượng tử của nó, điều đó có nghĩa là thông tin của nó không thể được sao chép một cách đơn giản thành các qubit dư.

Nhưng các nhà lý thuyết đã phát triển những khung “sửa lỗi lượng tử” phức tạp để giải quyết vấn đề này. Nó phụ thuộc vào việc mã hóa một qubit thông tin – hay còn còn lại qubit logic – trong một bộ tập hợp qubit vật lý. Cỗ máy này sau đó có thể sử dụng một số qubit vật lý để kiểm tra độ “minh mẫn” của các qubit vật lý và sửa bất cứ lỗi nào. Các qubit vật lý là vậy, chúng có thể xử lý được lỗi. “Sự tiên tiến của việc sử dụng đa qubit cho sửa lỗi lượng tử là ở các cấp độ,” Terhal nói.

Nhưng việc có thêm nhiều qubit vật lý cũng làm tăng thêm các cơ hội hai trong số chúng bị ảnh hưởng song song bởi lỗi. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu ở Google đã thực hiện hai phiên bản sửa lỗi lượng tử. Một gồm 17 qubit có thể phục hồi một lỗi tại một thời điểm. Một phiên bản lớn hon gồm 49 qubit có thể phục hồi hai lỗi song song, và với một hiệu suất tốt hơn một chút so với phiên bản trước. “Cải thiện hiện nay còn rất nhỏ, và cũng chưa rõ là việc sử dụng mã lớn hơn sẽ đạt được hiệu suất cao hơn không”, Terhal nói.

Joe Fitzsimons, một nhà vật lý tại Horizon Quantum ở Singapore, nói rằng vô số phòng thí nghiệm đang có những bước tiến lớn về việc sửa lỗi lượng tử và kết quả mới nhất của Google có thể có nhiều đặc điểm cần phải có. Nhưng các qubit cũng cần lưu trữ thông tin cho thời gian sử dụng trên máy tính để thực hiện tính toán, và nhóm của Google vẫn chưa đạt được kỳ tích. “Với một chứng minh thuyết phục của việc sửa lỗi theo quy mô, chúng tôi muốn thấy được sự cải thiện suốt vòng đời của nó cơ”, như một hệ được nâng cấp quy mô, Fitzsimons nói.

Google cũng đã lên một lộ trình tính toán lượng tử cho chính mình với sáu cột mốc quan trọng. Tiên tiến lượng tử là một, và thành tích mới nhất là cái mốc thứ hai. Cột mốc cuối cùng là một thiết bị gồm một triệu qubit vật lý, mã hóa 1.000 qubit logic. “Tại thời điểm đó, chúng tôi có thể cho thấy sự hứa hẹn về giá trị thương mại”, Neven nói.

Các qubit siêu dẫn là một trong số nhiều cách tiếp cận để xây dựng một máy tính lượng tử, và Google vẫn nghĩ đây là cơ hội tốt nhất để dẫn đến thành công, Neven nói. “Chúng tôi có thể xoay chuyển rất nhanh nếu cách tiếp cận này đem lại cơ hội cho chúng tôi có được một máy tính lượng tử hữu dụng nhanh hơn các cách tiếp cận khác”.

Thanh Nhàn tổng hợp

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-023-00536-w

https://phys.org/news/2023-02-google-hails-key-milestone-quantum.html