ÚC – Một nhóm các nhà nghiên cứu tại đại học UNSW Sydney (university of New South Wales) đã phát triển thành công một phương thức mới giúp kiểm tra lỗi trên máy tính lượng tử mà không làm ảnh hưởng đến các thông tin lượng tử vốn mong manh.

Để chứng minh cách loại bỏ lỗi trong tính toán lượng tử một cách hiệu quả, các nhà nghiên cứu đã cải tiến từ nguyên lý “Schrödinger’s cat” (tạm dịch là ‘con mèo của Schrödinger’) (*).
(*) Con mèo của Schrodinger: là một thí nghiệm tưởng tượng nhằm minh họa những nghịch lý của cơ học lượng tử. Trong thí nghiệm này, một con mèo được đặt trong chiếc hộp kín cùng một nguồn phóng xạ có 50% cơ hội phân rã, một bộ đếm hạt và một cơ chế giải phóng chất độc. Nếu nguyên tử phóng xạ phân rã, bộ đếm sẽ kích hoạt, làm vỡ lọ chất độc và con mèo sẽ chết. Ngược lại, con mèo vẫn sống. Theo các quy tắc của cơ học lượng tử, trước khi hộp được mở để quan sát, nguyên tử tồn tại trong trạng thái chồng chập (superposition), tức là vừa phân rã vừa chưa phân rã, do vậy con mèo được xem là đồng thời ở cả hai trạng thái sống và chết cho đến khi có phép đo hoặc quan sát được thực hiện. Thí nghiệm này không nhằm mô tả thực tế, mà được dùng để đặt câu hỏi về cách các quy luật lượng tử được diễn giải và áp dụng vào thế giới vĩ mô.

Giáo sư Scientia Andrea Morello từ đại học UNSW chia sẻ: “Giả sử một người tìm con mèo đang trốn trong một trong tám chiếc hộp carton giống nhau, giữa một căn phòng tối và ồn ào”.

“Người đó không được phép bước vào phòng, vì việc mở cửa có thể tước đi mạng sống của con mèo. Vậy chiến lược tối ưu nhất để tìm ra nơi nó đang trốn là gì? Nhóm nghiên cứu đã tìm ra đáp án, đây có thể là một cột mốc quan trọng trên hành trình chế tạo máy tính lượng tử.”

Phép ẩn dụ về con mèo đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ để minh họa cho những hiện tượng kỳ lạ xảy ra khi cố gắng áp dụng cơ học lượng tử vào các hệ thống vĩ mô.

Dự án nghiên cứu do đại học UNSW dẫn đầu, “con mèo” chính là hạt nhân của một nguyên tử antimon (antimony) được cấy vào một chip lượng tử silicon. Dù có kích thước nhỏ ở cấp độ nguyên tử, hạt nhân antimon này lại có đến tám trạng thái lượng tử có thể dùng để mã hóa thông tin.

Việc hạt nhân antimon có tám trạng thái lượng tử khác nhau, giúp tạo ra không gian dự phòng để phát hiện và sửa các lỗi có thể phát sinh trong quá trình tính toán.

Nâng cao hiệu suất sửa lỗi lượng tử hiện là một trong những rào cản lớn nhất trong việc chế tạo các máy tính lượng tử quy mô lớn.

Giáo sư Morello nói rằng: “Các trạng thái lượng tử được sử dụng để mã hóa thông tin, được gọi là các trạng thái ‘Schrödinger cat’. Vấn đề chính còn lại là làm sao phát hiện ra lỗi đã xảy ra mà không làm xáo trộn nguồn thông tin quý giá được mã hóa trong nguyên tử, chính là ‘con mèo’ đó”.

Giải pháp thêm “nước”
Để giải thích cách vấn đề này được giải quyết, Giáo sư Morello tiếp tục dùng hình ảnh con mèo trong căn phòng tối.

Giáo sư Morello nói rằng: “Trong tình huống này, người chủ con mèo không thể vào phòng để nhìn, vì vậy thay vào đó, người chủ có thể lắp tám vòi phun nước trong phòng, mỗi vòi đặt phía trên một chiếc hộp. Sau đó, lần lượt phun một ít nước lên từng chiếc hộp và lắng nghe tiếng ‘meo meo’ khi con mèo tỏ thái độ khó chịu vì bị ướt. Nhưng vì căn phòng rất ồn ào, người này có thể nhầm tưởng tiếng meo meo phát ra từ một chiếc hộp rỗng, hoặc bỏ lỡ tiếng meo thực sự từ chiếc hộp có con mèo.”

Ông cho biết phương pháp tiêu chuẩn để giảm tỷ lệ sai sót này là lặp lại toàn bộ thí nghiệm nhiều lần, rồi suy luận rằng con mèo nằm ở chiếc hộp phát ra nhiều tiếng meo nhất.

Tuy nhiên, nếu phun nước quá thường xuyên, con mèo có thể hoảng loạn và nhảy sang chiếc hộp khác.

Giáo sư Morello nói tiếp: “Việc phun nước liên tục vào các chiếc hộp có nguy cơ làm thay đổi chính trạng thái mà người chủ đang cố gắng quan sát”.

Bí quyết ở đây, theo Giáo sư Morello, là dừng lại ngay lập tức khi nghe thấy tiếng ‘meo’ đầu tiên, đây là dự đoán ban đầu, và chuyển sang chỉ phun nước vào những chiếc hộp được cho là không có con mèo.

Giáo sư Morello kết luận: “Sự im lặng từ những chiếc hộp đó sẽ làm tăng độ tin cậy rằng dự đoán là chính xác. Việc thiếu vắng một tín hiệu lại giúp xác nhận sự hiện diện của một tín hiệu khác mà không cần tương tác trực tiếp với hệ thống. Đôi khi, sự im lặng lại có sức phản ánh rõ ràng nhất”.

Trở lại với khía cạnh khoa học
Trong hệ thống vật lý được các nhà nghiên cứu sử dụng, “vòi phun nước” thực chất là một electron. Electron này có thể được đẩy vào nguyên tử rồi lấy ra khỏi đó, tùy thuộc vào trạng thái lượng tử của spin (độ tự quay) hạt nhân.

Việc thêm vào và lấy đi electron có thể làm xáo trộn hạt nhân, khiến nó nhảy sang một trạng thái khác.

Khi chiến lược mới này được áp dụng cho “con mèo nguyên tử”, electron chỉ cần rời khỏi nguyên tử một lần duy nhất. Sau đó, hệ thống sẽ chỉ thăm dò các trạng thái trống (những chiếc hộp không có mèo).

Phương pháp này đã giúp giảm hơn một nửa tỷ lệ sai sót, đồng thời cắt giảm tổng thời gian đo lường xuống chỉ còn một phần ba.

Tác giả chính của nghiên cứu, ông Arjen Vaartjes, cho biết bằng cách sử dụng chiến lược đo lường thích ứng này, nhóm nghiên cứu đã nâng mức độ tin cậy của việc “tìm thấy mèo trong đúng hộp” đến 99,61%.

Ông Vaartjes cho biết: “Mức giá trị này vô cùng có ý nghĩa vì nó đưa hệ thống của nhóm nghiên cứu đạt đến ngưỡng độ chính xác đo lường (fidelity) cần thiết để thực hiện thành công quá trình sửa lỗi lượng tử”.

Giáo sư Morello giải thích thêm: “Sửa lỗi lượng tử phụ thuộc vào các phép đo lặp lại nhiều lần mà không làm ảnh hưởng đến nguồn thông tin lượng tử mong manh, tương đương với việc tìm thấy con mèo trong đúng hộp mà không làm nó hoảng sợ”.

Bằng cách thay đổi chiến lược đo lường, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng hoàn toàn có thể khai thác được nhiều thông tin hơn trong khi gây ra ít sự xáo trộn hơn, một bước tiến cần thiết hướng tới kỷ nguyên máy tính lượng tử quy mô thương mại (utility-scale).

Nhóm nghiên cứu cho biết phương pháp này có thể cải thiện các phép đo “giữa chu kỳ” (mid-circuit measurements) được sử dụng trong sửa lỗi lượng tử. Đây vốn là một vấn đề lớn trong việc phát triển các máy tính lượng tử có khả năng mở rộng, phục vụ cho các ứng dụng như tìm kiếm thuốc mới, mô phỏng phản ứng hóa học, tối ưu hóa danh mục tài chính và học máy (machine learning).

Giải pháp mà tất cả các phòng thí nghiệm lượng tử đều có thể áp dụng
Giáo sư Morello nhận định rằng tác động sâu rộng hơn của nghiên cứu này là khả năng ứng dụng trên nhiều hệ thống máy tính lượng tử khác nhau.

Giáo sư Morello cho biết: “Phương pháp đo lường thích ứng này có thể giúp giảm lỗi đo lường trong các hệ thống từ qubit bán dẫn cho đến cấu trúc nguyên tử hoặc quang học (photonic). Vì nhiều kiến trúc máy tính hiện nay sử dụng phần cứng tương tự, giao thức mới này có thể dễ dàng thích ứng với các nền tảng khác đang gặp phải tình trạng lỗi trong quá trình đo lường”.

Ông nói thêm rằng, việc hiện thực hóa máy tính lượng tử quy mô lớn cuối cùng có thể sẽ phụ thuộc vào mức độ thuần thục trong việc “tìm thấy con mèo trong đúng hộp” mà không làm nó hoảng sợ.

Giáo sư Morello kết luận: “Giờ đây, nhóm nghiên cứu đã có thể trích xuất thông tin về hệ thống lượng tử một cách đủ nhẹ nhàng để giữ cho nó hoàn toàn nguyên vẹn”.

Để xem các tin bài khác về “Máy tính lượng tử”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online