Qubit “hai trong một”: vì sao cánh tay giao tiếp có thể giúp máy tính lượng tử bớt lỗi?

Một qubit phải làm hai việc khó cùng lúc: giữ trạng thái lượng tử đủ lâu để lưu thông tin, nhưng cũng phải tương tác nhanh với các qubit khác để thực hiện phép tính. Kiến trúc “arm qubit” do nhóm nghiên cứu tại MIT đề xuất tìm cách tách hai nhiệm vụ ấy thành hai phần liên kết: một phần lưu dữ liệu và một phần đóng vai trò “cánh tay” giao tiếp. Các mô phỏng cho thấy thiết kế này có thể đạt thời gian duy trì trạng thái tốt cùng tốc độ thao tác và đọc kết quả cao hơn một số kiến trúc qubit siêu dẫn hiện có. [1]

Điểm đáng chú ý không nằm ở việc tạo ra một qubit chỉ để lưu trữ hay chỉ để kết nối. Vấn đề là bố trí hai chức năng trong cùng một cấu trúc sao cho việc giao tiếp không nhanh chóng phá hỏng thông tin. Đây là một hướng thiết kế còn ở giai đoạn đầu, chưa phải máy tính lượng tử thực dụng, nhưng nó cho thấy phần cứng có thể được điều chỉnh ngay từ đầu để phục vụ việc sửa lỗi. [1]

Vì sao kết nối qubit lại dễ gây lỗi?

Trong máy tính thông thường, bit có thể nhận giá trị 0 hoặc 1 và thường giữ giá trị ấy khá ổn định. Qubit cũng lưu thông tin, nhưng trạng thái của nó nhạy với môi trường và với chính những kết nối cần thiết cho phép tính. Khi trạng thái lượng tử bị suy giảm, hiện tượng đó được gọi là mất kết hợp lượng tử, hay decoherence. Những lỗi nhỏ có thể tích lũy nhanh khi một phép tính kéo dài. [1]

Nghịch lý nằm ở chỗ một máy tính lượng tử hữu ích cần nhiều qubit làm việc cùng nhau, trong khi mỗi kết nối lại mở thêm cơ hội để thông tin bị xáo trộn. Nếu qubit mất trạng thái trước khi thuật toán hoàn tất, kết quả cuối cùng có thể không còn đáng tin cậy. Vì vậy, mục tiêu không chỉ là tạo qubit sống lâu, mà còn là tạo một hệ thống có thể phát hiện và sửa lỗi khi phép tính đang diễn ra. [1]

Hai chức năng được tách ra thế nào?

Arm qubit gồm hai “mode”, có thể hiểu là hai phần hoạt động trong cùng một qubit. Data mode đảm nhiệm việc lưu thông tin và sử dụng một kiểu thiết kế vốn nổi tiếng vì có thời gian duy trì trạng thái dài. Arm mode đảm nhiệm việc tương tác với các thành phần khác của mạch lượng tử, trong đó có bộ cộng hưởng dùng để đọc trạng thái của phép tính. [1]

Cách phân vai này giống như một thiết bị có bộ nhớ ổn định và một cổng giao tiếp riêng. Ví dụ, một máy tính xách tay có thể giữ tệp trong bộ nhớ trong, còn cổng mạng chuyên đảm nhiệm việc trao đổi dữ liệu. Đây chỉ là phép so sánh để hình dung: qubit không tách thành hai vật thể độc lập theo cách một máy tính tách ổ cứng và cổng mạng, mà hai mode được kết nối trong cùng kiến trúc lượng tử.

“Cánh tay” giao tiếp giúp ích gì?

Nếu phần lưu dữ liệu phải trực tiếp gánh mọi tương tác, mỗi lần kết nối với qubit khác có thể làm tăng nhiễu không mong muốn. Arm mode được dành riêng cho nhiệm vụ vươn tới các phần khác của mạch, nhờ đó data mode không phải liên tục đảm nhiệm cả lưu trữ lẫn giao tiếp. Thiết kế này nhằm giữ lại ưu điểm về thời gian duy trì trạng thái, đồng thời rút ngắn thời gian thao tác và đọc kết quả. [1]

Mối nối giữa hai mode là một bộ ghép đặc biệt gọi là quarton coupler. Nó tạo ra tương tác phi tuyến mạnh: trạng thái của một phần có thể làm phần kia thay đổi theo cách được kiểm soát. Trong các mạch lượng tử, tương tác phi tuyến là thành phần quan trọng để thực hiện nhiều thuật toán. Theo mô phỏng, bộ ghép này giúp giảm sự trộn lẫn ngoài ý muốn giữa các mode khi hệ thống có thêm nhiều kết nối. [1]

Tốc độ có liên quan gì đến sửa lỗi?

Sửa lỗi lượng tử không đơn giản là chờ đến cuối phép tính rồi kiểm tra đáp án. Một máy tính chịu lỗi cần theo dõi trạng thái của hệ thống, phát hiện dấu hiệu sai lệch và xử lý chúng trong lúc thuật toán tiếp tục chạy. Điều đó đòi hỏi các thao tác đủ nhanh, nhưng cũng phải đủ chính xác để quá trình sửa lỗi không tạo thêm lỗi mới. [1]

Vì thế, qubit có thời gian duy trì trạng thái dài nhưng thao tác chậm vẫn chưa giải quyết trọn vẹn bài toán. Ngược lại, qubit thao tác nhanh nhưng mất thông tin quá sớm cũng khó dùng cho phép tính dài. Mô phỏng arm qubit cho thấy sự kết hợp giữa thời gian duy trì trạng thái, tốc độ thao tác và tốc độ đọc có thể thuận lợi hơn cho các sơ đồ sửa lỗi lượng tử so với một số thiết kế qubit siêu dẫn khác. Đây là kết quả tính toán, chưa phải phép đo trên phần cứng đã chế tạo. [1]

Vì sao chưa thể gọi đây là máy tính lượng tử thực dụng?

Một kiến trúc hoạt động tốt trên mô hình vẫn phải vượt qua nhiều bước trước khi trở thành linh kiện thật. Nhóm nghiên cứu dự định chế tạo arm qubit để kiểm tra xem các đặc tính trong mô phỏng có xuất hiện ngoài thực tế hay không. Quá trình này có thể cho thấy những yếu tố bị bỏ sót trong mô hình hoặc những khó khăn phát sinh khi sản xuất và tích hợp nhiều qubit. [1]

Ngay cả khi một qubit mới đạt kết quả tốt, máy tính lượng tử quy mô lớn còn cần nhiều qubit phối hợp ổn định, mạch điều khiển phù hợp và phương pháp sửa lỗi hoạt động trong thời gian dài. Giá trị hiện tại của arm qubit nằm ở ý tưởng thiết kế: thay vì buộc một bộ phận làm mọi việc, có thể phân công việc lưu trữ và giao tiếp ngay trong cấu trúc của qubit. Nếu chế tạo thành công, nó có thể trở thành một khối xây dựng cho các hệ thống sửa lỗi trong tương lai; còn khả năng giải quyết những bài toán thực tế vẫn ở phía trước. [1]