Máy tính lượng tử có năng lực kỳ diệu gì?

[Derpy]

Tương lai của máy tính lượng tử hứa hẹn nhiều điều thú vị, nhưng hiện tại, đó chỉ là lời hứa. Dù những bước đột phá dường như khiến chúng ta tiến gần hơn đến việc tạo ra một máy tính lượng tử thật sự, có khả năng vượt qua khả năng của những siêu máy tính tốt nhất hiện nay, các nhà khoa học vẫn chưa thể vượt qua ngưỡng mong đợi đó. Một trong những rào cản lớn giữa hiện tại và tương lai đầy hứa hẹn này là khái niệm “sửa lỗi lượng tử”.

Các qubit có thể dễ dàng bị nhiễu bởi “tiếng ồn”, nguồn gốc của nó có thể đến từ bức xạ điện từ hoặc thậm chí là nhiệt độ. Tiếng ồn này cuối cùng dẫn đến sự suy giảm năng lực của hệ thống, biến máy tính lượng tử thông minh của chúng ta trở thành một chiếc máy tính cổ điển bình thường. Trong khi tỷ lệ lỗi của các bit thông thường rất nhỏ, thì tỷ lệ lỗi của lượng tử trung bình khoảng một trên 1.000, điều này có thể nhanh chóng biến các phép tính thành một mớ lộn xộn không sử dụng được.

Một nghiên cứu mới - được công bố trên tạp chí Nature bởi một nhóm nghiên cứu từ MIT, Harvard và công ty máy tính lượng tử QuEra - nhằm cải thiện khả năng sửa lỗi bằng cách chứng minh điều được gọi là “chưng cất trạng thái ma thuật” trong các qubit logic. Để giải thích ngắn gọn, các qubit logic không giống như các qubit vật lý, những viên gạch xây dựng cơ bản của hệ thống lượng tử. Các qubit logic là những nhóm qubit vật lý chia sẻ cùng một thông tin và được bảo vệ bởi những lớp mã sửa lỗi. Ý tưởng là nếu một qubit logic gặp lỗi, nó sẽ không làm gián đoạn toàn bộ hệ thống, vì thông tin đó đã được bảo vệ.

Hơn 20 năm qua, các nhà khoa học đã biết đến những “trạng thái ma thuật”, những tài nguyên được tinh chế cao, là chìa khóa để mở rộng các hệ thống lượng tử có khả năng chịu lỗi. Trong một thông cáo báo chí đi kèm với nghiên cứu, QuEra so sánh “trạng thái ma thuật” như kiểu nhiên liệu phản lực. Hãy nghĩ đến chưng cất trạng thái ma thuật giống như việc tinh chế dầu thô thành nhiên liệu hàng không: nó biến những nguyên liệu thô dễ vỡ và ồn ào mà các hệ thống lượng tử hiện tại tạo ra thành tài nguyên cao cấp cần thiết để chạy bất kỳ thuật toán lượng tử nào một cách tin cậy.

Các trạng thái ma thuật thô thường không hoàn hảo, vì vậy các kỹ sư kết hợp nhiều bản sao và “chưng cất” lô hàng thành một phiên bản sạch hơn. Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã thực hiện quy trình chưng cất này trong các qubit logic bằng cách sử dụng máy tính nguyên tử trung tính của QuEra. Họ đã tạo ra các gói qubit logic với kích thước được gọi là Distance-3 và Distance-5 về cơ bản, số càng cao, qubit logic càng tốt (nó có khả năng sửa lỗi tốt hơn, ví dụ). Họ đã chưng cất năm trạng thái ma thuật không hoàn hảo thành một trạng thái ma thuật sạch hơn, tinh chế “dầu thô” thành nhiên liệu phản lực cao cấp.

Kết quả cho thấy trạng thái ma thuật cuối cùng có độ chính xác cao hơn bất kỳ đầu vào nào, chứng minh rằng việc chưng cất trạng thái ma thuật có khả năng chịu lỗi là khả thi. “Thí nghiệm này tận dụng những điểm mạnh độc đáo của các mảng nguyên tử trung tính để giải quyết một trong những tiểu trình đòi hỏi khắt khe nhất trong sửa lỗi lượng tử,” Mikhail Lukin, một đồng tác giả của nghiên cứu từ Đại học Harvard, cho biết trong một thông cáo báo chí. “Đây là một bước quan trọng hướng tới các bộ xử lý lượng tử thực tế và phổ quát.”

Giám đốc tiếp thị của QuEra, Yuval Boger, khi nói chuyện với Live Science, cho biết rằng bước đột phá này thực sự là một bước tiến. Trước đây, các nhà khoa học đã đặt câu hỏi liệu máy tính lượng tử có thể khả thi hay không, và gần đây, các trường đại học và công ty công nghệ đã tìm kiếm cách làm cho những máy tính này ít bị lỗi hơn. Boger nói rằng câu hỏi hiện tại đã trở thành: “Liệu chúng ta có thể làm cho những máy tính này thực sự hữu ích không?” Nếu lịch sử là bất kỳ dấu hiệu nào, có thể chúng ta đã biết câu trả lời. (Popsci)