Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm lượng tử nâng cao của Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (AQT) đã chứng minh rằng một phương pháp thử nghiệm được gọi là biên dịch ngẫu nhiên (RC) có thể giảm đáng kể tỷ lệ lỗi trong các thuật toán lượng tử và dẫn đến các phép tính lượng tử chính xác và ổn định hơn. Không còn chỉ là một khái niệm lý thuyết lượng tử cho máy tính, kết quả thí nghiệm mang tính đột phá của nhóm nghiên cứu đa ngành của được công bố trong tạp chí Physical Review X .
Các thí nghiệm tại AQT được thực hiện trên một bộ xử lý lượng tử siêu dẫn bốn qubit. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng RC có thể ngăn chặn một trong những loại lỗi nghiêm trọng nhất trong máy tính lượng tử: lỗi mạch lạc.
Akel Hashim, nhà nghiên cứu của AQT, tham gia vào bước đột phá thử nghiệm và là nghiên cứu sinh tại Đại học California, Berkeley giải thích: “Chúng tôi có thể thực hiện các phép tính lượng tử trong thời đại máy tính lượng tử quy mô trung gian (NISQ) ồn ào này, nhưng chúng rất ồn ào, dễ bị lỗi từ nhiều nguồn khác nhau và không tồn tại lâu do sự không mạch lạc — tức là mất thông tin — của các qubit của chúng ta. “
Lỗi mạch lạc không có tương tự tính toán cổ điển. Các loại lỗi này có tính hệ thống và là kết quả của việc kiểm soát không hoàn hảo các qubit trên bộ xử lý lượng tử và có thể can thiệp một cách xây dựng hoặc phá hủy trong một thuật toán lượng tử . Do đó, rất khó dự đoán tác động cuối cùng của chúng đối với hiệu suất của một thuật toán.
Mặc dù về lý thuyết, các lỗi mạch lạc có thể được sửa chữa hoặc tránh được thông qua điều khiển tương tự hoàn hảo, chúng có xu hướng trở nên tồi tệ hơn khi nhiều qubit được thêm vào bộ xử lý lượng tử do “nhiễu xuyên âm” giữa các tín hiệu dùng để điều khiển các qubit lân cận.
Lần đầu tiên được lên ý tưởng vào năm 2016, giao thức RC không cố gắng sửa chữa hoặc sửa chữa các lỗi mạch lạc. Thay vào đó, RC giảm nhẹ vấn đề bằng cách ngẫu nhiên hóa hướng mà lỗi mạch lạc tác động lên các qubit, sao cho chúng hoạt động như thể chúng là một dạng nhiễu ngẫu nhiên. RC đạt được mục tiêu này bằng cách tạo, đo lường và kết hợp các kết quả của nhiều mạch lượng tử tương đương về mặt logic, do đó tính trung bình tác động mà lỗi mạch lạc có thể có đối với bất kỳ mạch lượng tử đơn lẻ nào.
“Chúng tôi biết rằng, trung bình, nhiễu ngẫu nhiên sẽ xảy ra nhất quán với cùng một tỷ lệ lỗi trung bình , vì vậy chúng tôi có thể dự đoán một cách đáng tin cậy kết quả từ tỷ lệ lỗi trung bình. Nhiễu ngẫu nhiên sẽ không bao giờ tác động đến hệ thống của chúng tôi tồi tệ hơn tỷ lệ lỗi trung bình— điều gì đó không đúng đối với các lỗi mạch lạc, mà tác động của chúng đến hiệu suất thuật toán có thể là các đơn đặt hàng có mức độ tồi tệ hơn so với tỷ lệ lỗi trung bình của chúng sẽ cho thấy. “
Hashim đã sử dụng sự tương tự của tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu trong thiên văn học để so sánh tác động của lỗi mạch lạc so với nhiễu ngẫu nhiên trong tính toán lượng tử. Kính thiên văn hoạt động càng lâu thì tín hiệu sẽ càng phát triển theo tiếng ồn, vì tín hiệu sẽ tự hình thành mạch lạc, trong khi tiếng ồn – không mạch lạc và không liên quan – sẽ phát triển chậm hơn nhiều.
Các lỗi mạch lạc trong thuật toán lượng tử có thể tự xây dựng thông qua giao thoa có tính xây dựng và thường phát triển nhanh hơn nhiễu ngẫu nhiên. Tuy nhiên, cuộc trình diễn thử nghiệm của RC cho thấy rằng các lỗi mạch lạc trong các thuật toán lượng tử có thể được kiểm soát để phát triển với tốc độ chậm hơn nhiều.
Nhóm AQT đã hợp tác chặt chẽ với những người sáng tạo ban đầu của giao thức, Joseph Emerson và Joel Wallman, người đồng sáng lập công ty Quantum Benchmark, Inc. (gần đây đã được Keysight Technologies mua lại) để giải quyết vấn đề đo điểm chuẩn và giảm thiểu lỗi trong hệ thống máy tính lượng tử .
Hashim nói: “Không phải tự thiết kế phần mềm để thực hiện giao thức RC đã tiết kiệm cho chúng tôi rất nhiều thời gian và tài nguyên và giúp chúng tôi tập trung vào công việc thử nghiệm.”
Bằng cách thu hút các nhà nghiên cứu và đối tác từ khắp cộng đồng khoa học thông tin lượng tử ở Hoa Kỳ và thế giới, AQT cho phép khám phá và phát triển tính toán lượng tử dựa trên một trong những công nghệ hàng đầu, mạch siêu dẫn.
Hashim mô tả: “RC là một giao thức chung cho tính toán lượng tử dựa trên cổng . “Có rất nhiều ứng dụng và lớp thuật toán có thể được hưởng lợi từ RC. Nghiên cứu hợp tác của chúng tôi đã chứng minh rằng RC hoạt động để cải thiện các thuật toán trong kỷ nguyên NISQ và chúng tôi hy vọng nó sẽ tiếp tục là một giao thức hữu ích ngoài NISQ. Điều quan trọng là để có phần trình diễn thành công này trong hộp công cụ của chúng tôi tại AQT. Giờ đây, chúng tôi có thể triển khai nó trên các dự án người dùng thử nghiệm khác. “
Theo: Phys.
