Các lỗi ngẫu nhiên phát sinh trong quá trình tính toán là một trong những trở ngại lớn nhất để giải phóng toàn bộ sức mạnh của máy tính lượng tử. Các nhà nghiên cứu hiện đã chứng minh một kỹ thuật cho phép các lỗi được phát hiện và sửa chữa trong thời gian thực khi tiến hành tính toán. Nó cũng cho phép tiến hành sửa lỗi nhiều lần trên một bit lượng tử (qubit) trong quá trình tính toán [ 1 ]. Cả hai tính năng đều cần thiết để tạo ra các yếu tố cơ bản – các qubit logic – của một máy tính lượng tử hoàn toàn chịu được lỗi, có thể được mở rộng và sử dụng cho các ứng dụng ngoài những ứng dụng chuyên biệt mà các máy này đã xử lý cho đến nay.
Việc sửa lỗi rất đơn giản trên các máy tính cổ điển: bằng cách giữ một số bản sao của mỗi bit, một lỗi ngẫu nhiên (chẳng hạn như lỗi 1 chuyển sang 0) có thể được xác định và sửa chữa bằng cách sử dụng quy tắc đa số đơn giản. Nhưng điều đó không thể thực hiện được trong máy tính lượng tử, vì việc tính toán dựa trên các qubit thông qua các trạng thái lượng tử không phải 0 cũng không phải 1, và việc đo lường chúng sẽ phá hủy các trạng thái mỏng manh đó. Vì vậy, các trạng thái phải vẫn chưa được biết đến, và một nguyên tắc cơ bản cấm việc sao chép một trạng thái lượng tử chưa biết.
Nếu các lỗi qubit không được sửa chữa, chúng sẽ dần dần tích tụ và lấn át phép tính với nhiễu ngẫu nhiên, hạn chế số bước mà một thuật toán lượng tử có thể thực hiện một cách đáng tin cậy. Vấn đề trở nên khó quản lý hơn khi số lượng qubit tăng lên. Đó là lý do tại sao các máy tính lượng tử ngày nay chỉ có một số lượng tương đối nhỏ các qubit “ồn ào”. Loại tốt nhất trong số các mạch lượng tử này có thể vẫn hoạt động tốt hơn máy tính cổ điển đối với một số loại tính toán nhất định, nhưng nếu không có sửa lỗi lượng tử (QEC), sức mạnh và phạm vi của tính toán lượng tử vẫn bị hạn chế.
Nhiều phương pháp QEC khác nhau đã được đề xuất trong đó một số qubit vật lý bị vướng vào cơ học lượng tử để tạo ra một qubit logic duy nhất có một số khả năng chống lại lỗi. Nhưng các lược đồ này thường chỉ cho phép một vòng sửa lỗi cho mỗi qubit logic trong một phép tính. Một vấn đề khác là chúng thường được xem xét lại – kết quả cuối cùng là “sau sửa chữa” – nhưng không phải tất cả các lỗi đều có thể được sửa chữa sau khi thực tế.
Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Quantinuum (trước đây là Honeywell Quantum Solutions) ở Broomfield, Colorado, hiện đã triển khai một phương pháp khắc phục một số hạn chế này. Họ sử dụng sơ đồ QEC lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1996 bởi Andrew Steane thuộc Đại học Oxford, Vương quốc Anh. Giống như hầu hết các cách tiếp cận QEC khác, nó liên quan đến cái gọi là qubit ancilla bổ sung, công việc của nó là báo hiệu lỗi trong “qubit dữ liệu”. Trong mỗi chuỗi hoạt động, một qubit ancilla bị vướng vào một tập con các qubit dữ liệu, và sau đó qubit ancilla được đo. Quá trình này cho phép suy ra một số thông tin về qubit dữ liệu mà không cần đo trực tiếp.
Mặc dù ý tưởng cơ bản đã xuất hiện từ những năm 1990, nhưng việc đưa nó vào thực tế với các kế hoạch chẩn đoán và sửa lỗi nhanh chóng và liên tục trong một mạch lượng tử thực với qubit chất lượng tốt đã đặt ra một thách thức lớn về mặt công nghệ. Các thuật toán và phần cứng do Ryan-Anderson và các đồng nghiệp của ông phát triển hiện đã giải quyết được những vấn đề này.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng qubit được tạo ra từ các ion ytterbium đơn lẻ được giữ trong một bẫy điện từ. Hệ thống cho phép mỗi ion được di chuyển đến gần với bất kỳ ion nào khác để thực hiện các hoạt động vướng víu. Các qubit được thể hiện trong các trạng thái điện tử lượng tử của các ion, có thể được điều khiển bằng chùm tia laze. Để đọc một qubit, nhóm nghiên cứu sẽ chạm vào ion bằng một xung laser và đo độ huỳnh quang của nó. Các mạch lượng tử ion bị mắc kẹt như vậy đã được phát triển cho các máy tính lượng tử thương mại. Ryan-Anderson và các đồng nghiệp đã sử dụng mười trong số các ion qubit vật lý này để tạo ra một qubit logic có khả năng chịu lỗi duy nhất: bảy trong số chúng là qubit dữ liệu và ba qubit còn lại là qubit ancilla.
Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng họ có thể thực hiện nhiều vòng phát hiện và sửa lỗi trên mỗi qubit dữ liệu trong mạch và họ có thể phát hiện hai loại lỗi qubit riêng biệt. Những nỗ lực trước đây để đạt được nhiều vòng sửa lỗi chỉ mang lại hiệu quả cho một loại. Ryan-Anderson cho biết: “Về cơ bản, lần đầu tiên chúng tôi đã chứng minh tất cả các yếu tố cần thiết cho một qubit logic [có thể chịu lỗi].”
Steane nói: “Đây là một công trình thử nghiệm có tầm cỡ rất cao. Đó là một điều để suy luận bằng cách phân tích ảnh hưởng của các phép toán và phép đo nhất định lên qubit; hoàn toàn khác để đạt được nó trong phòng thí nghiệm,” như nhóm Honeywell hiện đã làm. Công trình đã “làm nổi bật phần nào của tất cả các công việc lý thuyết về QEC và khả năng chịu lỗi được chứng minh là có thể sử dụng trong thực tế,” Steane nói.
Laird Egan, một kỹ sư lượng tử tại công ty IonQ có trụ sở tại Maryland, nơi trước đây đã triển khai các phương pháp QEC cho các qubit ion bị mắc kẹt, cho biết: “Đây là một tiến bộ đáng kể. “Điều thực sự phân biệt nó là nhiều vòng sửa lỗi thực sự có khả năng chịu lỗi” —điều mà nhóm IonQ vẫn chưa đạt được.
QEC yêu cầu mỗi qubit logic phải bao gồm nhiều qubit vật lý, do đó, qubit logic gây ra nhiều nguồn lỗi tiềm ẩn hơn bất kỳ qubit thành phần nào của nó. Lý tưởng nhất là QEC có thể đủ nhanh để tỷ lệ lỗi của qubit logic thấp hơn bất kỳ qubit vật lý nào, nhưng QEC của nhóm Honeywell, giống như tất cả những người khác đã phát triển cho đến nay, vẫn chưa đạt đến mức đó. Vì vậy, các lỗi vẫn sẽ tích tụ nhanh hơn mức chúng có thể được sửa chữa. Đạt đến cái gọi là ngưỡng sửa lỗi, khi QEC cho phép một qubit logic hoạt động tốt hơn qubit vật lý của nó, “sẽ là một giải thưởng lớn cho bất kỳ ai đạt được nó,” Egan nói. “Tôi sẽ không ngạc nhiên khi thấy ngưỡng này đạt được trong vài năm tới.”
Theo: Physics.
