Nhờ kỹ thuật sửa lỗi mới, Google đang tiến gần hơn đến một máy tính lượng tử có giá trị thương mại.
Trạng thái lượng tử, cảm hứng cho cảnh quay trong "Ant-Man 3", là cơ chế đằng sau các qubit của máy tính lượng tử. (Ảnh: Marvel Studios).
Vài tháng trước khi bắt đầu sản xuất Ant-Man and the Wasp (2018), đạo diễn Peyton Reed và đội ngũ sản xuất đã tập trung tại văn phòng Marvel Studios ở Burbank, California, để lắng nghe một nhà vật lý lượng tử giải thích về các hiện tượng khoa học có thật, là cảm hứng của bộ phim.
"Lượng tử giới là một nơi có khả năng vô tận, một vũ trụ khác nơi các định luật vật lý và các lực tự nhiên như chúng tôi biết chúng chưa kết tinh", Spyridon Michalakis, nhà vật lý lượng tử tại Viện Thông tin Lượng tử và Vật chất tại Caltech, kể lại với New York Times điều mà ông đã giải thích với đoàn làm phim. Các khả năng vô tận này cũng là nguyên lý hoạt động của bit lượng tử, hay qubit, có thể vừa là 0 vừa là 1 trong máy tính lượng tử.
Tại một phòng thí nghiệm ở Santa Barbara, California, các nhà vật lý tại Google đã chứng minh có thể giảm tỷ lệ lỗi tính toán của máy tính lượng tử bằng cách tăng số qubit. Cột mốc này tiếp nối thí nghiệm nổi tiếng năm 2019, khi một máy tính lượng tử của Google thực hiện được phép tính mà một máy tính thông thường phải mất hàng nghìn năm để giải.
Dù vậy Google cũng thừa nhận mức độ cải thiện vẫn còn nhỏ, và tỷ lệ lỗi cần phải giảm nhiều hơn nữa. “Tỷ lệ lỗi đã giảm xuống một chút, chúng tôi cần nó giảm xuống rất nhiều", Hartmut Neven, người giám sát bộ phận điện toán lượng tử tại trụ sở chính của Google ở Mountain View, California, cho biết.
Sửa lỗi lượng tử
Sửa lỗi là quy trình bắt buộc nếu muốn dùng máy tính lượng tử để giải quyết các vấn đề nằm ngoài khả năng của máy tính thông thường, chẳng hạn như phân tích các số nguyên lớn thành số nguyên tố hoặc phân tích chi tiết hành vi của chất xúc tác hóa học, các nhà vật lý Google giải thích trên Nature.
Tất cả các máy tính đều có lỗi. Một con chip máy tính thông thường lưu trữ thông tin theo bit, mỗi bit đại diện cho 0 hoặc 1, và sao chép một số thông tin thành các bit dự phòng. Khi một lỗi xảy ra, dựa vào thông tin trên bit dự phòng, con chip có thể tự động phát hiện và khắc phục.
Vi xử lý lượng tử Sycamore được Google giới thiệu năm 2019, được hãng coi là cột mốc đầu tiên trong quá trình phát triển máy tính lượng tử. (Ảnh: Google).
“Trong thông tin lượng tử, không thể làm như vậy. Máy tính lượng tử hoạt động dựa trên các trạng thái lượng tử được gọi là qubit, có thể tồn tại ở dạng hỗn hợp của 0 và 1. Không thể đọc được một qubit nếu không làm mất trạng thái lượng tử của nó, do đó không thể sao chép thông tin từ một qubit vào qubit dự phòng", Julian Kelly, Giám đốc phần cứng lượng tử của Google, cho biết.
Các nhà lý thuyết đã đề xuất kỹ thuật sửa lỗi lượng tử để giải quyết vấn đề này. Theo đó, có thể mã hóa một qubit thông tin bằng một tập hợp nhiều qubit vật lý thay vì chỉ một qubit đơn lẻ. Máy tính có thể kiểm tra một số qubit vật lý trong tập hợp để thấy mức độ toàn vẹn của qubit thông tin, và sửa lỗi nếu có. Càng có nhiều qubit vật lý, máy tính lượng tử càng khắc phục lỗi hiệu quả hơn.
Bước tiến của Google
Nhưng việc thêm nhiều qubit vật lý cũng làm tăng khả năng xảy ra nhiều lỗi đồng thời. Google thử nghiệm hiệu quả thực tế của kỹ thuật sửa lỗi này bằng cách thực hiện 2 phiên bản.
Phiên bản đầu tiên sử dụng tập hợp 17 qubit, có thể khôi phục từng lỗi một. Phiên bản thứ hai, lớn hơn, sử dụng tập hợp 49 qubit và có thể khôi phục 2 lỗi đồng thời. Thử nghiệm cho thấy phiên bản lớn có hiệu suất sửa lỗi tốt hơn so với phiên bản nhỏ.
Kỹ thuật sửa lỗi công bố ngày 22/2 được Google coi là cột mốc thứ hai trong số 6 cột mốc để phát triển máy tính lượng tử một triệu qubit. (Ảnh: Google Quantum AI).
“Dù vậy mức độ cải thiện hiện tại là rất nhỏ và chưa chắc việc sử dụng nhiều qubit hơn nữa sẽ mang lại hiệu suất sửa lỗi tốt hơn", Terhal cho biết.
Google đã thiết lập một lộ trình điện toán lượng tử với 6 cột mốc quan trọng, thí nghiệm năm 2019 được coi là cột mốc thứ nhất và thí nghiệm mới là cột mốc thứ hai.
Cột mốc thứ sáu là cỗ máy được tạo thành từ một triệu qubit vật lý, mã hóa 1.000 qubit thông tin. “Ở giai đoạn đó, chúng tôi có thể tự tin hứa hẹn giá trị thương mại của máy tính lượng tử”, Neven nói.