Các thí nghiệm cho thấy Máy tính lượng tử có thể tốt hơn tổng các bộ phận của chúng

Các thí nghiệm máy tính lượng tử tại UMD cho thấy việc kết hợp các mảnh máy tính lượng tử không có nghĩa là kết hợp tỷ lệ lỗi của chúng.

Sự hoàn hảo của Pobody – thậm chí không phải là những bit tính toán, thờ ơ vốn là nền tảng của máy tính. Nhưng nhóm của JQI Fellow Christopher Monroe, cùng với các đồng nghiệp từ Đại học Duke, đã đạt được tiến bộ trong việc đảm bảo chúng ta có thể tin tưởng vào kết quả của máy tính lượng tử ngay cả khi chúng được chế tạo từ những mảnh đôi khi bị lỗi. Lần đầu tiên, trong một thí nghiệm, họ đã chỉ ra rằng một tập hợp các mảnh điện toán lượng tử có thể tốt hơn những bộ phận tồi tệ nhất được sử dụng để tạo ra nó. Trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature hôm nay (4 tháng 10 năm 2021), nhóm đã chia sẻ cách họ thực hiện bước ngoặt này để hướng tới máy tính lượng tử thực tế và đáng tin cậy.

Trong thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu đã kết hợp một số qubit – phiên bản lượng tử của các bit – để chúng hoạt động cùng nhau như một đơn vị duy nhất được gọi là qubit logic. Họ đã tạo ra qubit logic dựa trên một mã sửa lỗi lượng tử để không giống như đối với các qubit vật lý riêng lẻ, các lỗi có thể dễ dàng được phát hiện và sửa chữa, và họ làm cho nó có khả năng chịu lỗi – có khả năng chứa các lỗi để giảm thiểu tác động tiêu cực của chúng.

Monroe, người cũng là thành viên của Trung tâm Liên hợp Thông tin Lượng tử và Khoa học Máy tính và là Giáo sư College Park tại Khoa Vật lý tại Đại học Maryland, cho biết: “Qubit bao gồm các ion nguyên tử giống hệt nhau tự nhiên rất sạch. “Tuy nhiên, đến một lúc nào đó, khi yêu cầu nhiều qubit và các phép toán, lỗi phải giảm hơn nữa, và việc thêm nhiều qubit và mã hóa thông tin theo cách khác sẽ đơn giản hơn. Vẻ đẹp của mã sửa lỗi cho các ion nguyên tử là chúng có thể rất hiệu quả và có thể được bật lên một cách linh hoạt thông qua các điều khiển phần mềm ”.

Đây là lần đầu tiên một qubit logic được chứng minh là đáng tin cậy hơn so với bước dễ xảy ra lỗi nhất để tạo ra nó. Nhóm nghiên cứu đã có thể đưa thành công qubit logic vào trạng thái ban đầu và đo nó 99,4% thời gian, mặc dù dựa vào sáu phép toán lượng tử được cho là chỉ hoạt động khoảng 98,9% thời gian.

Điều đó nghe có vẻ không phải là một sự khác biệt lớn, nhưng đó là một bước quan trọng trong nhiệm vụ xây dựng các máy tính lượng tử lớn hơn nhiều. Nếu sáu hoạt động lượng tử là công nhân của dây chuyền lắp ráp, mỗi người tập trung vào một nhiệm vụ, thì dây chuyền lắp ráp sẽ chỉ tạo ra trạng thái ban đầu đúng 93,6% thời gian (98,9% nhân với chính nó sáu lần) —còn tệ hơn mười lần so với sai số đo được trong cuộc thí nghiệm. Sự cải tiến đó là do trong thí nghiệm, các mảnh không hoàn hảo kết hợp với nhau để giảm thiểu khả năng sai số lượng tử cộng gộp và làm hỏng kết quả, tương tự như việc những người thợ cẩn thận bắt lỗi nhau.

Kết quả đạt được bằng cách sử dụng hệ thống bẫy ion của Monroe tại UMD, hệ thống này sử dụng tới 32 nguyên tử tích điện riêng lẻ – các ion – được làm mát bằng tia laser và lơ lửng trên các điện cực trên một con chip. Sau đó, họ sử dụng mỗi ion như một qubit bằng cách điều khiển nó với tia laser.

Monroe nói: “Chúng tôi có 32 tia laze. “Và các nguyên tử giống như những con vịt liên tiếp; mỗi loại có chùm tia laze có thể điều khiển hoàn toàn riêng. Tôi nghĩ về nó giống như các nguyên tử tạo thành một dây tuyến tính và chúng tôi gảy nó giống như một dây đàn guitar. Chúng tôi tuốt nó bằng tia la-de mà chúng tôi bật và tắt theo cách có thể lập trình được. Và đó là máy tính; đó là đơn vị xử lý trung tâm của chúng tôi. ”

Bằng cách tạo thành công một qubit logic có khả năng chịu lỗi với hệ thống này, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng các thiết kế sáng tạo, cẩn thận có tiềm năng giải quyết vấn đề tính toán lượng tử khỏi sự ràng buộc của các lỗi không thể tránh khỏi trong tình trạng kỹ thuật hiện nay. Các qubit logic có khả năng chịu lỗi là một cách để tránh các lỗi trong các qubit hiện đại và có thể là nền tảng của máy tính lượng tử vừa đáng tin cậy vừa đủ lớn để sử dụng trong thực tế.

Sửa lỗi và sửa lỗi

Việc phát triển các qubit chịu lỗi có khả năng sửa lỗi là rất quan trọng bởi vì định luật Murphy là không ngừng: Cho dù bạn chế tạo một cỗ máy tốt đến đâu thì cuối cùng vẫn xảy ra lỗi. Trong máy tính, bất kỳ bit hoặc qubit nào cũng có khả năng đôi khi không thực hiện được công việc của nó. Và nhiều qubit liên quan đến một máy tính lượng tử thực tế có nghĩa là có rất nhiều cơ hội để lỗi phát sinh.

May mắn thay, các kỹ sư có thể thiết kế một máy tính để các phần của nó phối hợp với nhau để bắt lỗi — như giữ thông tin quan trọng được sao lưu vào một ổ cứng bổ sung hoặc nhờ người thứ hai đọc email quan trọng của bạn để tránh lỗi chính tả trước khi bạn gửi. Cả người hoặc ổ đều phải lộn xộn vì một sai lầm để tồn tại. Mặc dù cần nhiều công việc hơn để hoàn thành nhiệm vụ, nhưng việc dự phòng sẽ giúp đảm bảo chất lượng cuối cùng.

Một số công nghệ thịnh hành, như điện thoại di động và modem tốc độ cao, hiện đang sử dụng tính năng sửa lỗi để giúp đảm bảo chất lượng đường truyền và tránh những phiền phức khác. Việc sửa lỗi bằng cách sử dụng dự phòng đơn giản có thể giảm nguy cơ xảy ra lỗi không cần thiết miễn là quy trình của bạn không sai thường xuyên hơn là đúng — ví dụ: gửi hoặc lưu trữ dữ liệu gấp ba lần và tin tưởng vào đa số phiếu bầu có thể giảm khả năng xảy ra lỗi từ một phần trăm đến dưới một phần nghìn.

Vì vậy, mặc dù sự hoàn hảo có thể không bao giờ đạt được, nhưng sửa lỗi có thể làm cho hiệu suất của máy tính tốt như yêu cầu, miễn là bạn có thể trả giá bằng việc sử dụng thêm tài nguyên. Các nhà nghiên cứu có kế hoạch sử dụng sửa lỗi lượng tử để bổ sung tương tự cho nỗ lực của họ nhằm tạo ra các qubit tốt hơn và cho phép họ xây dựng máy tính lượng tử mà không cần phải khắc phục tất cả các lỗi mà các thiết bị lượng tử mắc phải.

Kenneth Brown, giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Duke và là đồng tác giả của bài báo cho biết: “Điều đáng kinh ngạc về khả năng chịu lỗi, đó là công thức để làm thế nào để lấy các bộ phận nhỏ không đáng tin cậy và biến chúng thành một thiết bị rất đáng tin cậy. “Và việc sửa lỗi lượng tử có thể chịu lỗi sẽ cho phép chúng tôi tạo ra các máy tính lượng tử rất đáng tin cậy từ các bộ phận lượng tử bị lỗi.”

Nhưng việc sửa lỗi lượng tử có những thách thức riêng – qubit phức tạp hơn các bit truyền thống và có thể sai theo nhiều cách hơn. Bạn không thể chỉ sao chép một qubit, hoặc thậm chí chỉ cần kiểm tra giá trị của nó ở giữa một phép tính. Toàn bộ lý do khiến các qubit có lợi là chúng có thể tồn tại ở dạng chồng chất lượng tử của nhiều trạng thái và có thể trở thành lượng tử vướng vào nhau về mặt cơ học. Để sao chép một qubit, bạn phải biết chính xác thông tin mà nó hiện đang lưu trữ — về mặt vật lý, bạn phải đo lường nó. Và một phép đo đưa nó vào một trạng thái lượng tử duy nhất được xác định rõ ràng, phá hủy bất kỳ sự chồng chất hoặc vướng víu nào mà phép tính lượng tử được xây dựng trên đó.

Vì vậy, để sửa lỗi lượng tử, bạn phải sửa các lỗi sai theo từng bit mà bạn không được phép sao chép hoặc thậm chí xem xét quá kỹ. Nó giống như hiệu đính trong khi bị bịt mắt. Vào giữa những năm 1990, các nhà nghiên cứu bắt đầu đề xuất cách thực hiện điều này bằng cách sử dụng sự tinh tế của cơ học lượng tử, nhưng máy tính lượng tử mới chỉ đạt đến mức có thể đưa các lý thuyết vào thử nghiệm.

Ý tưởng chính là tạo ra một qubit logic từ các qubit vật lý dư thừa theo cách có thể kiểm tra xem các qubit có đồng ý với nhau về các dữ kiện cơ học lượng tử nhất định hay không mà không cần biết trạng thái của bất kỳ qubit nào trong số chúng.

Không thể cải thiện trên Atom

Có rất nhiều mã sửa lỗi lượng tử được đề xuất để lựa chọn và một số phù hợp tự nhiên hơn cho một cách tiếp cận cụ thể để tạo ra một máy tính lượng tử. Mỗi cách chế tạo máy tính lượng tử đều có những dạng lỗi riêng cũng như những điểm mạnh riêng. Vì vậy, việc xây dựng một máy tính lượng tử thực tế đòi hỏi sự hiểu biết và làm việc với các lỗi và lợi thế cụ thể mà cách tiếp cận của bạn mang lại.

Máy tính lượng tử dựa trên bẫy ion mà Monroe và các đồng nghiệp làm việc có ưu điểm là các qubit riêng lẻ của chúng giống hệt nhau và rất ổn định. Vì các qubit là các ion mang điện, mỗi qubit có thể giao tiếp với tất cả các qubit khác trong đường dây thông qua các tác động điện, mang lại sự tự do so với các hệ thống cần kết nối vững chắc với các hệ thống lân cận.

Monroe nói: “Chúng là nguyên tử của một nguyên tố và đồng vị cụ thể nên chúng hoàn toàn có thể tái tạo. “Và khi bạn lưu trữ mạch lạc trong các qubit và bạn để chúng yên, về cơ bản nó tồn tại mãi mãi. Vì vậy, qubit khi để một mình là hoàn hảo. Để sử dụng qubit đó, chúng ta phải chọc vào nó bằng tia laze, chúng ta phải làm mọi thứ với nó, chúng ta phải giữ nguyên tử bằng các điện cực trong buồng chân không, tất cả những thứ kỹ thuật đó đều có tiếng ồn trên chúng, và chúng có thể ảnh hưởng đến qubit. ”

Đối với hệ thống của Monroe, nguồn lỗi lớn nhất là các hoạt động gây vướng víu — việc tạo ra các liên kết lượng tử giữa hai qubit bằng các xung laser. Các phép toán vướng víu là những phần cần thiết để vận hành một máy tính lượng tử và kết hợp các qubit thành các qubit logic. Vì vậy, mặc dù nhóm nghiên cứu không thể hy vọng làm cho các qubit logic của họ lưu trữ thông tin ổn định hơn so với các qubit ion riêng lẻ, việc sửa các lỗi xảy ra khi vướng các qubit là một cải tiến quan trọng.

Các nhà nghiên cứu đã chọn mã Bacon-Shor là mã phù hợp tốt cho những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống của họ. Đối với dự án này, họ chỉ cần 15 trong số 32 ion mà hệ thống của họ có thể hỗ trợ, và hai trong số các ion không được sử dụng làm qubit mà chỉ cần để có khoảng cách đều giữa các ion khác. Đối với mã, họ đã sử dụng chín qubit để mã hóa dự phòng một qubit logic duy nhất và bốn qubit bổ sung để chọn ra các vị trí có thể xảy ra lỗi. Với thông tin đó, về lý thuyết, các qubit bị lỗi được phát hiện có thể được sửa chữa mà không làm tổn hại đến “lượng tử” của các qubit bằng cách đo trạng thái của bất kỳ qubit riêng lẻ nào.

“Phần quan trọng của việc sửa lỗi lượng tử là dự phòng, đó là lý do tại sao chúng tôi cần 9 qubit để có được một qubit logic,” nghiên cứu sinh Laird Egan của JQI, tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết. “Nhưng sự dư thừa đó giúp chúng tôi tìm kiếm lỗi và sửa chúng, bởi vì một lỗi trên một qubit có thể được bảo vệ bởi tám qubit còn lại.”

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng thành công mã Bacon-Shor với hệ thống bẫy ion. Qubit logic thu được yêu cầu sáu phép toán gây vướng víu — mỗi phép toán có tỷ lệ lỗi dự kiến từ 0,7% đến 1,5%. Nhưng nhờ thiết kế cẩn thận của mã, những lỗi này không kết hợp thành một tỷ lệ lỗi thậm chí cao hơn khi các phép toán vướng víu được sử dụng để chuẩn bị qubit logic ở trạng thái ban đầu của nó.

Nhóm nghiên cứu chỉ quan sát thấy lỗi trong quá trình chuẩn bị và đo lường của qubit 0,6% thời gian — ít hơn sai số thấp nhất được mong đợi đối với bất kỳ hoạt động vướng mắc riêng lẻ nào. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã có thể chuyển qubit logic sang trạng thái thứ hai với sai số chỉ 0,3%. Nhóm nghiên cứu cũng cố ý đưa ra các lỗi và chứng minh rằng họ có thể phát hiện ra chúng.

Egan nói: “Đây thực sự là một minh chứng về việc sửa lỗi lượng tử cải thiện hiệu suất của các thành phần bên dưới lần đầu tiên. “Và không có lý do gì mà các nền tảng khác không thể làm điều tương tự khi họ mở rộng quy mô. Đó thực sự là một bằng chứng về khái niệm cho thấy việc sửa lỗi lượng tử hoạt động ”.

Khi nhóm tiếp tục dòng công việc này, họ cho biết họ hy vọng sẽ đạt được thành công tương tự trong việc xây dựng các cổng logic lượng tử thậm chí còn thách thức hơn từ các qubit của họ, thực hiện các chu kỳ sửa lỗi hoàn chỉnh trong đó các lỗi được phát hiện được sửa chữa tích cực và kết hợp nhiều qubit logic lại với nhau .

Egan nói: “Cho đến khi có bài báo này, mọi người đều tập trung vào việc tạo ra một qubit logic. “Và bây giờ chúng tôi đã tạo ra một, chúng tôi giống như, ‘Các qubit logic đơn hoạt động, vậy bạn có thể làm gì với hai?'”

Tham khảo: “Kiểm soát khả năng chịu lỗi của một qubit đã sửa lỗi” của Laird Egan, Dripto M. Debroy, Crystal Noel, Andrew Risinger, Daiwei Zhu, Debopriyo Biswas, Michael Newman, Muyuan Li, Kenneth R. Brown, Marko Cetina và Christopher Monroe, ngày 4 tháng 10 năm 2021, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-021-03928-y

Theo Scitechdaily