Mô hình nhiễu lượng tử mới giúp máy tính lượng tử thoát lỗi tính toán

Máy tính lượng tử đang đứng trước rào cản kỹ thuật lớn nhất trong hành trình từ phòng thí nghiệm ra thực tiễn, và nhóm nghiên cứu Johns Hopkins APL vừa tìm ra cách tiếp cận mới để tháo gỡ rào cản đó bằng mô hình hoá nhiễu lượng tử toàn diện trên hệ thống thực.

Theo đó, thay vì phân tích từng phép tính đơn lẻ theo cách truyền thống tốn nhiều thời gian, nhà vật lý Gregory Quiroz cùng đồng nghiệp chạy lặp nhiều phép tính trên hệ thống đám mây lượng tử gồm 39 qubit phân bố trên bảy thiết bị siêu dẫn, để lỗi tự tích luỹ qua từng vòng tính toán rồi đo độ lệch của kết quả so với giá trị lý thuyết.

Phương pháp này không yêu cầu quyền truy cập trực tiếp vào phần cứng, đúng với điều kiện thực tế mà người dùng thường gặp trong các hệ thống thương mại hiện nay nhưng vẫn thu được thông tin sâu về cơ chế hoạt động của hệ thống vật lý bên trong.

Lần đầu tiên hai loại lỗi lượng tử được mô hình hoá trong cùng một khung

Điểm then chốt tạo ra giá trị khác biệt của nghiên cứu này so với các công trình trước nằm ở chỗ nhóm APL không buộc phải chọn lựa giữa hai loại lỗi mà cộng đồng khoa học lâu nay phải đánh đổi. Lỗi kết hợp (coherent) sinh ra từ khiếm khuyết phần cứng và về nguyên tắc có thể khắc phục được, trong khi lỗi phi kết hợp (incoherent) gây mất thông tin trên qubit theo cách gần như không thể phục hồi. Quiroz và cộng sự tích hợp cả hai vào cùng một mô hình thống nhất, điều mà các phương pháp trước đây chưa làm được.

Tiến sĩ Yasuo Oda, người trực tiếp tham gia xây dựng mô hình, phát biểu: "Chúng tôi gộp nhiều loại lỗi vào một mô hình duy nhất, đơn giản về tham số nhưng đầy đủ về các hiện tượng có thể mô tả, thậm chí dự đoán được hiệu suất của các thuật toán lượng tử nhỏ. Đó là đóng góp lớn nhất của chúng tôi."

Mô hình nhiễu lượng tử áp dụng xuyên suốt toàn bộ chuỗi phát triển

Giá trị thực sự của công trình này vượt ra ngoài việc đo nhiễu thuần tuý, bởi kết quả mô hình cung cấp thông tin có thể dùng xuyên suốt toàn bộ chuỗi phát triển máy tính lượng tử từ phần cứng đến thuật toán.

"Với mô hình nhiễu trọng số thấp này, chúng tôi có cơ hội áp dụng ở mọi tầng của hệ thống lượng tử, từ thiết kế phần cứng, thiết kế thuật toán đến sửa lỗi. Thông tin thu được từ mô hình có thể định hướng cho từng tầng trong toàn bộ chuỗi đó," Gregory Quiroz, nhà vật lý tại APL, cho biết.

Máy tính lượng tử về lý thuyết vượt trội hoàn toàn so với siêu máy tính mạnh nhất hiện nay khi xử lý các bài toán phức tạp chỉ với vài trăm qubit, song lỗi tích luỹ trong quá trình vận hành thực tế vẫn là lý do chính khiến công nghệ này chưa thể triển khai giải quyết vấn đề thực tiễn.

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí PRX Quantum, tạo ra nền tảng kỹ thuật vững chắc nhất mà giới khoa học lượng tử có được cho đến nay, trên con đường hiện thực hoá máy tính lượng tử chịu lỗi.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng