Nếu máy tính thông thường sử dụng các bit cổ điển, vốn chỉ có thể là 0 hoặc 1, thì máy tính lượng tử sử dụng bit lượng tử (gọi là qubit), có thể tồn tại đồng thời ở cả 0 và 1, hoặc ở bất kỳ trạng thái trung gian nào.
Khi nhiều qubit được kết hợp lại với nhau, chúng tạo nên một cỗ máy có thể đồng thời biểu diễn rất nhiều khả năng khác nhau... và đó cũng là điểm khởi đầu cho sự tăng tốc mà điện toán lượng tử có thể mang lại.
Với việc khai thác sức mạnh của các phép toán lượng tử, trong điều kiện lý tưởng, máy tính lượng tử có thể giải các bài toán phức tạp như tìm ra kháng sinh hoặc phát triển các vật liệu mới với tốc độ vượt xa cả các siêu máy tính thông thường mạnh nhất hiện nay.
Chip lượng tử Majorana 1 của Microsoft. Ảnh: Microsoft
Tuy nhiên, trong phần cứng thực tế, các phép toán lượng tử thường không đạt độ chính xác lý tưởng do hạn chế của thiết bị và tác động của môi trường lên các trạng thái lượng tử.
"Trong 20 năm qua, người ta mới chế tạo được máy tính lượng tử có nhiễu quy mô trung bình [Noisy Intermediate-Scale Quantum NISQ]. Đó thực sự là một tuyệt tác công nghệ lượng tử. Từ IBM hay Google đều là máy NISQ, nhưng dù họ có 100 qubit hay 1.000 qubit hay thậm chí là 1 triệu qubit thì kết quả tính toán của họ, 1 cộng 1 vẫn bằng ba. Không chính xác, do đó nó chưa ứng dụng được vào đời sống thực tế", TS. Nguyễn Quốc Hưng, người từng tham gia dự án Microsoft tại Viện Niels Bohr, Copenhagen vào năm 2018, trao đổi với Tia Sáng vào năm ngoái.
Bởi vậy, để tạo ra các máy tính lượng tử đáng tin cậy, các nhà nghiên cứu cần xác định chính xác trạng thái và hành vi của các hệ lượng tử, chẳng hạn như các qubit trong chip lượng tử.
Kết nối hai lĩnh vực nghiên cứu
"Trong thực tế, hệ lượng tử thường giống như một ‘hộp đen’, chúng ta không biết các phần tử bên trong tương tác như thế nào, độ lớn ra sao, chịu ảnh hưởng của nhiễu đến mức nào, hay hoạt động theo cơ chế nào", TS. Lê Bin Hô (Đại học Tohoku, Nhật Bản) - tác giả liên hệ của một nghiên cứu mới được công bố gần đây trên tạp chí Advanced Quantum Technologies - giải thích với Tia Sáng. "Thực tế này đặt ra bài toán chỉ từ đầu vào và đầu ra, làm thế nào để suy ra được cách hoạt động bên trong của hệ?"
TS. Lê Bin Hô (phải) và TS. Vũ Tuấn Hải - hai đồng tác giả của nghiên cứu. Ảnh: NVCC
Phương pháp tiêu chuẩn và đầy đủ nhất để làm điều này là chụp cắt lớp quá trình lượng tử (Quantum Process Tomography - QPT). Theo đó, người ta sẽ chuẩn bị rất nhiều trạng thái đầu vào khác nhau, đo các đầu ra tương ứng, rồi dùng các phương pháp toán học để suy ra cấu trúc của hệ.
"Cách này có thể đạt độ chính xác cao, nhưng có một vấn đề lớn là số phép đo cần thiết tăng rất nhanh theo cấp số mũ khi số qubit tăng lên. Vì vậy, phương pháp trở nên rất tốn thời gian và khó áp dụng cho hệ có nhiều qubit," TS. Lê Bin Hô cho biết.
Một số phương pháp khác như Compressed sensing QPT (tạm dịch: lấy mẫu nén trong đo đạc quá trình lượng tử) hay Randomized benchmarking / gate set tomography (tạm dịch: đánh giá chuẩn ngẫu nhiên/chụp cắt lớp tập cổng lượng tử) giúp giảm chi phí nhưng lại có thể dẫn đến kết quả không chính xác hoặc thiếu chi tiết đầy đủ về cấu trúc của hệ. "Nhìn chung, các phương pháp hiện nay đều phải đánh đổi giữa hai yếu tố là độ chính xác cao và chi phí đo đạc thấp," TS. Lê Bin Hô nói.
Để giải quyết thách thức này, các nhà nghiên cứu từ Trường Đại học Công nghệ Thông tin (Đại học Quốc gia TP HCM), Đại học Tohoku và Viện Khoa học và Công nghệ Nara đã đề xuất một cách tiếp cận mới gọi là "chụp cắt lớp quá trình lượng tử dựa trên biên dịch" (Compilation-based Quantum Process Tomography - CQPT).
Minh họa về phương pháp chụp cắt lớp quá trình lượng tử dựa trên biên dịch CQPT. Ảnh: Nhóm nghiên cứu.
"Thay vì chỉ đo đạc thụ động, chúng tôi tận dụng kỹ thuật biên dịch lượng tử (quantum compilation) để chủ động thiết kế các mạch đo thông minh hơn. Nhờ đó, có thể giảm đáng kể số phép đo và chi phí tính toán, đồng thời vẫn đảm bảo độ chính xác", TS. Lê Bin Hô cho biết.
Điểm mới của nghiên cứu nằm ở việc kết nối hai lĩnh vực thường được nghiên cứu riêng biệt: Quantum compilation - thiết kế và tối ưu mạch lượng tử - và Quantum tomography - đo và xác định thông tin của hệ (giống như kỹ thuật chụp cắt lớp trong y sinh).
Ý tưởng cốt lõi của phương pháp mới có thể được hiểu như sau: "Khi có một chip lượng tử cần kiểm tra, thay vì chỉ đo trực tiếp, chúng tôi kết nối nó với một mạch lượng tử khác do mình thiết kế, có thể điều chỉnh và tối ưu. Mạch này đóng vai trò như một ‘compiler’ [trình biên dịch] tương tác với chip cần đo để thu thập thông tin về cách chip hoạt động," theo TS. Lê Bin Hô.
Sau đó, nhóm nghiên cứu thực hiện quá trình tối ưu: đưa vào chip một trạng thái đơn giản (ví dụ trạng thái cơ bản ∣0⟩), rồi tối ưu mạch compiler sao cho đầu ra thu được giống đúng trạng thái ban đầu.
"Nếu làm được điều này, có nghĩa là mạch compiler đã ‘sao chép’ được cách hoạt động của chip ở trạng thái nghịch đảo. Nói cách khác, khi nhìn vào mạch tối ưu, chúng ta có thể suy ra được thông tin bên trong của chip lượng tử cần đo," TS. Lê Bin Hô cho hay. Phương pháp này cũng được thiết kế để việc tối ưu hóa có thể thực hiện thuận tiện chỉ với một kết quả đo duy nhất cho mỗi trạng thái đầu vào.
Thách thức lớn nhất của bài toán nằm ở việc làm sao thiết kế được một mạch lượng tử có thể chạy trên máy tính lượng tử vật lý (thay vì mô phỏng), nhưng đồng thời vẫn đủ linh hoạt để tái tạo chính xác một hệ lượng tử bất kỳ.
"Nếu mạch ‘compiler’ được thiết kế quá đơn giản, nó sẽ không đủ khả năng mô tả hệ. Ngược lại, nếu quá phức tạp, nó sẽ khó thực hiện trên các thiết bị lượng tử hiện nay," TS. Lê Bin Hô giải thích.
Nút thắt này đã được nhóm nghiên cứu giải quyết nhờ vào việc xây dựng một phương pháp linh hoạt, trong đó, mạch lượng tử không cố định mà có thể thay đổi và cải thiện dần qua quá trình tối ưu.
Hình minh họa: Bên trong máy tính lượng tử IBM Quantum System One. Ảnh: IBM
Theo TS. Lê Bin Hô, cách làm mới của nhóm lấy cảm hứng từ quá trình tiến hóa gene trong tự nhiên: chọn lọc những cấu trúc tốt, kết hợp các phần của chúng, và tạo ra các đột biến nhỏ. Qua nhiều bước như vậy, mạch compiler dần trở nên phù hợp hơn và có thể tái tạo chính xác cách hoạt động của hệ lượng tử cần đo.
Tiềm năng ứng dụng
"Các phương pháp hiệu quả và có khả năng mở rộng để đặc trưng hóa các quá trình lượng tử có vai trò rất quan trọng đối với tương lai của điện toán lượng tử và cảm biến lượng tử," TS. Lê Bin Hô nói. "Chúng ta cần những phương pháp như vậy để kiểm tra xem các cổng và mạch lượng tử có hoạt động đúng không, xác định lỗi phần cứng, hiệu chỉnh thiết bị và hỗ trợ sửa lỗi lượng tử."
Về mặt ứng dụng, phương pháp mới có nhiều tiềm năng thực tế như kiểm tra và hiệu chuẩn máy tính lượng tử; giúp phát triển các thuật toán lượng tử đáng tin cậy hơn nhờ hiểu rõ lỗi và cách hệ vận hành; hoặc ứng dụng trong cảm biến lượng tử (quantum sensing) và truyền thông lượng tử - những lĩnh vực mà việc kiểm soát và hiểu chính xác hệ có vai trò rất quan trọng.
Phương pháp mới cũng hứa hẹn trở thành giải pháp thực tế cho các hệ lượng tử lớn khi những cách tiếp cận truyền thống không còn đáp ứng được nhu cầu do chi phí quá cao.
Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tập trung giải quyết những thách thức khi triển khai phương pháp này trong các thí nghiệm thực tế, đồng thời phát triển các phiên bản phù hợp với phần cứng và cải thiện độ ổn định của phương pháp.
Kết quả nghiên cứu chi tiết đã được công bố trong bài báo "Advancing Quantum Process Tomography Through Quantum Compilation" trên tạp chí Advanced Quantum Technologies.
---
Tài liệu tham khảo:
H. L. D.Linh, V. T.Hai, and L. B.Ho, Advancing Quantum Process Tomography Through Quantum Compilation. Advanced Quantum Technologies 9, no. 2 (2026): e00494. https://doi.org/10.1002/qute.202500494
What's Going on Inside Quantum Computers?: New Method Simplifies Process Tomography. https://www.tohoku.ac.jp/en/press/whats_going_on_inside_quantum_computers_process_tomography.html
How close are quantum computers to being really useful? Podcast, The Conversation. https://theconversation.com/how-close-are-quantum-computers-to-being-really-useful-podcast-248574