Các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Waterloo đã phát triển một phương pháp có thể mở đường cho việc thiết lập các tiêu chuẩn phổ quát để đo hiệu suất của máy tính lượng tử*. Phương pháp mới, được gọi là điểm chuẩn chu kỳ (cycle benchmarking), cho phép các nhà nghiên cứu đánh giá tiềm năng của khả năng mở rộng và so sánh một nền tảng lượng tử với nền tảng khác.

“Phát hiện này có thể đi một chặng đường dài hướng tới việc thiết lập các tiêu chuẩn cho hiệu suất và tăng cường nỗ lực xây dựng một máy tính lượng tử thực tế quy mô lớn”, ông Joel Wallman, trợ lý giáo sư tại Khoa Toán học và Viện Điện toán Lượng tử của Waterloo nói. “Một phương pháp nhất quán để mô tả đặc tính và sửa lỗi trong các hệ lượng tử cung cấp tiêu chuẩn hóa cho cách đánh giá bộ xử lý lượng tử, cho phép so sánh tiến bộ trong các kiến ​​trúc khác nhau.”

Đo điểm chuẩn chu kỳ cung cấp một giải pháp giúp người dùng máy tính lượng tử vừa xác định giá trị so sánh của các nền tảng phần cứng cạnh tranh vừa tăng khả năng của mỗi nền tảng để cung cấp các giải pháp mạnh mẽ cho các ứng dụng mà họ quan tâm. Bước đột phá đến khi cuộc đua điện toán lượng tử đang nóng lên nhanh chóng, và số lượng các nền tảng và dịch vụ điện toán đám mây đang nhanh chóng mở rộng. Chỉ trong những tháng vừa qua, đã có những thông báo quan trọng từ Microsoft, IBM và Google.

Phương pháp này xác định tổng xác suất lỗi trong bất kỳ ứng dụng điện toán lượng tử nào khi ứng dụng được triển khai thông qua quá trình biên dịch ngẫu nhiên. Điều này có nghĩa là việc đo điểm chuẩn theo chu kỳ, cung cấp các phương tiện đo lường và so sánh đa nền tảng đầu tiên của các bộ xử lý lượng tử được tùy chỉnh cho các ứng dụng mà người dùng quan tâm.

Ông Joseph Emerson, một giảng viên tại IQC, nói: “Nhờ thành tựu tối cao về lượng tử gần đây của Google, chúng tôi đang ở thời điểm bình minh của cái mà tôi gọi là ‘kỷ nguyên khám phá lượng tử’.” Điều này có nghĩa là máy tính lượng tử dễ bị lỗi sẽ cung cấp giải pháp cho các vấn đề tính toán thú vị, nhưng chất lượng của các giải pháp của họ không còn có thể được xác minh bởi các máy tính hiệu suất cao. “Chúng tôi rất vui mừng vì điểm chuẩn chu kỳ cung cấp một giải pháp rất cần thiết để cải thiện và xác nhận các giải pháp điện toán lượng tử trong kỷ nguyên khám phá lượng tử mới này.”

Ông Emerson và Wallman đã thành lập công ty Quantum Benchmark Inc., công ty đã cấp phép công nghệ này cho một số nhà cung cấp máy tính lượng tử hàng đầu thế giới, bao gồm cả nỗ lực AI của Quantum AI.

Máy tính lượng tử cung cấp một cách tính toán mạnh mẽ hơn về cơ bản, nhờ vào cơ học lượng tử. So với máy tính truyền thống hoặc kỹ thuật số, máy tính lượng tử có thể giải quyết một số loại vấn đề hiệu quả hơn. Tuy nhiên, qubitits đơn vị xử lý cơ bản trong máy tính lượng tử là rất mong manh; bất kỳ sự không hoàn hảo hoặc nguồn nhiễu nào trong hệ thống đều có thể gây ra lỗi dẫn đến các giải pháp không chính xác theo tính toán lượng tử.

Giành quyền kiểm soát một máy tính lượng tử quy mô nhỏ chỉ với một hoặc hai qubit là bước đầu tiên trong một nỗ lực lớn hơn, tham vọng hơn. Một máy tính lượng tử lớn hơn có thể có thể thực hiện các nhiệm vụ ngày càng phức tạp, như học máy hoặc mô phỏng các hệ thống phức tạp để khám phá các loại dược phẩm mới. Kỹ thuật một máy tính lượng tử lớn hơn là một thách thức; phổ của các con đường lỗi trở nên phức tạp hơn khi các qubit được thêm vào và hệ thống lượng tử quy mô.

Đặc trưng cho một hệ thống lượng tử tạo ra một hồ sơ về tiếng ồn và lỗi, cho biết nếu bộ xử lý đang thực hiện các nhiệm vụ hoặc tính toán, thì nó sẽ được yêu cầu thực hiện. Để hiểu hiệu suất của bất kỳ máy tính lượng tử hiện tại nào cho một vấn đề phức tạp hoặc mở rộng quy mô máy tính lượng tử bằng cách giảm lỗi, trước tiên cần phải mô tả tất cả các lỗi quan trọng ảnh hưởng đến hệ thống.

Ông Wallman, Emerson và một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Innsbruck đã xác định một phương pháp để đánh giá tất cả các tỷ lệ lỗi ảnh hưởng đến một máy tính lượng tử. Họ đã thực hiện kỹ thuật mới này cho máy tính lượng tử bẫy ion tại Đại học Innsbruck và thấy rằng tỷ lệ lỗi không tăng khi kích thước của máy tính lượng tử đó tăng lên một kết quả rất hứa hẹn.

“Điểm chuẩn chu kỳ là phương pháp đầu tiên để kiểm tra một cách đáng tin cậy nếu bạn đang đi đúng hướng để nhân rộng thiết kế tổng thể của máy tính lượng tử của bạn,” ông Wallman nói. “Những kết quả này rất có ý nghĩa vì chúng cung cấp một cách toàn diện để mô tả các lỗi trên tất cả các nền tảng điện toán lượng tử.”

Bài ”Characterizing large-scale quantum computers via cycle benchmarking/ Đặc trưng hóa máy tính lượng tử quy mô lớn thông qua đo điểm chuẩn chu kỳ” đã đăng trên tạp chí Nature Communications.

* Máy tính lượng tử (còn gọi là siêu máy tính lượng tử) là một thiết bị tính toán sử dụng trực tiếp các hiệu ứng của cơ học lượng tử như tính chồng chập và vướng víu lượng tử để thực hiện các phép toán trên dữ liệu đưa vào. Máy tính lượng tử có phần cứng khác hẳn với máy tính kỹ thuật số dựa trên tranzitor. Trong khi máy tính kỹ thuật số đòi hỏi dữ liệu phải được mã hóa thành các chữ số nhị phân (bit), mà mỗi số được gán cho một trong hai trạng thái (0 và 1), tính toán lượng tử sử dụng các qubit (bit lượng tử) mà chúng có thể ở trong trạng thái chồng chập lượng tử. Một trong các mô hình lý thuyết về máy tính lượng tử là máy Turing lượng tử hay còn gọi là máy tính lượng tử phổ dụng. Máy tính lượng tử có những đặc điểm lý thuyết chung với máy tính phi tất định (non-deterministic) và máy tính xác suất (probabilistic automaton computers), với khả năng có thể đồng thời ở trong nhiều trạng thái. Lĩnh vực máy tính lượng tử được Yuri Manin nêu ra lần đầu tiên vào năm 1980 và bởi Richard Feynman năm 1982. Máy tính lượng tử sử dụng tính chất spin đại diện cho các bit lượng tử cũng được hình thành khi khái niệm không thời gian lượng tử được đưa ra vào năm 1969.

Tính đến năm 2014 tính toán lượng tử vẫn ở giai đoạn sơ khai nhưng đã có nhiều thí nghiệm nhằm thực hiện các phép tính lượng tử trên một số nhỏ các qubit. Cả phương diện thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết đều đang được triển khai, và chính phủ cũng như quân đội nhiều nước đã hỗ trợ cho các hoạt động nghiên cứu máy tính lượng tử ở cả mục đích dân sự và an ninh, như phân tích mã (cryptanalysis).

Máy tính lượng tử quy mô lớn sẽ có khả năng giải được các vấn đề phức tạp một cách nhanh hơn bất kỳ một máy tính cổ điển sử dụng các thuật toán tốt nhất hiện nay, như thuật toán Shor để phân tích số tự nhiên thành tích các số nguyên tố, hoặc mô phỏng hệ lượng tử nhiều hạt. Cũng có những thuật toán lượng tử, như thuật toán Simon, cho phép máy tính hoạt động nhanh hơn bất kỳ một máy tính dựa trên thuật toán xác suất cổ điển. Tuy nhiên, khi có đủ thời gian và tài nguyên, máy tính cổ điển có thể thực hiện bất kỳ một thuật toán lượng tử. Tính toán lượng tử không vi phạm Luận đề Church–Turing.

(Nguồn: Phys.org/ Wikipedia)