Chip lượng tử Willow của Google giảm bốn mươi lần sai số và đạt độ trung thực kỷ lục

Google vừa công bố kỹ thuật nuôi cấy trạng thái ma thuật trên bộ vi xử lý lượng tử Willow giúp giảm 40 lần sai số và đạt độ trung thực 99,99%. Bước tiến này mở ra hướng giải quyết bài toán cạn kiệt tài nguyên trong điện toán lượng tử thực tiễn.

Trong một bước đột phá mới được công bố trên tạp chí Science, Google cho biết bộ vi xử lý lượng tử Willow của hãng đã giảm được tới 40 lần tỷ lệ sai số khi thiết lập các trạng thái lượng tử đặc biệt.

Công nghệ đứng sau thành tựu này có tên là nuôi cấy trạng thái ma thuật, cho phép hệ thống tạo ra những trạng thái lượng tử có độ chính xác cao với độ trung thực logic đạt mức 99,99%.

Đây được xem là tiền đề quan trọng để giải quyết một trong những nút thắt cổ chai lớn nhất của ngành điện toán lượng tử thực tiễn, hướng tới mục tiêu xây dựng các cỗ máy tính lượng tử có khả năng sửa lỗi mạnh mẽ.

Từ lâu, việc thiết lập các trạng thái ma thuật đã là một bài toán nan giải đối với giới khoa học. Dù đóng vai trò không thể thiếu để thực thi những phép tính lượng tử phức tạp, quá trình tạo ra các trạng thái này với tỷ lệ lỗi đủ thấp lại tiêu tốn nguồn tài nguyên tính toán khổng lồ.

Theo một số ước tính, tối đa tới 95% năng lực tính toán của một cỗ máy tính lượng tử có thể bị trưng dụng chỉ để phục vụ việc khởi tạo những trạng thái này, khiến toàn bộ hệ thống hầu như không còn dư lực để tiến hành các phép tính thực tế.

Bài toán càng trở nên hóc búa hơn bởi đặc tính mỗi trạng thái ma thuật chỉ có thể sử dụng một lần duy nhất. Điều này buộc máy tính lượng tử phải liên tục sản sinh ra các trạng thái ma thuật mới nếu muốn duy trì chuỗi thao tác vận hành.

Nhằm tháo gỡ gánh nặng tài nguyên nói trên, vào năm 2024, ba nhà nghiên cứu trí tuệ nhân tạo lượng tử của Google là Craig Gidney, Noah Shutty và Cody Jones đã phát triển kỹ thuật nuôi cấy trạng thái ma thuật dựa trên việc cải tiến các phương pháp lý thuyết trước đó.

Về nguyên lý vận hành, phương pháp này hoạt động tương tự như một bộ lọc chuyên dụng. Nhóm nghiên cứu sẽ đưa các trạng thái lượng tử có chứa lỗi vào một khu vực nhỏ bên trong bộ vi xử lý, sau đó thực hiện hàng loạt phép đo đạc được phối hợp chặt chẽ để nhận diện sự cố.

Những lần thử nghiệm không vượt qua bước kiểm tra sẽ lập tức bị loại bỏ, trong khi các lần thử đạt yêu cầu sẽ giữ lại những trạng thái lượng tử sạch hơn rất nhiều. Từ nền tảng này, các trạng thái đạt chuẩn có thể được mở rộng sang những hình thái lớn hơn để đáp ứng các thao tác lượng tử phức tạp.

Tuy nhiên, việc đưa một phương pháp giàu triển vọng trên lý thuyết vào vận hành thực tế trên phần cứng lượng tử đòi hỏi hàng loạt cải tiến khắt khe về mặt kỹ thuật. Trong giai đoạn thí nghiệm ban đầu, nhà nghiên cứu Emma Rosenfeld của Google đã liên tục ghi nhận những kết quả đo lường nằm ngoài dự kiến.

Sau nhiều tháng tiến hành thử nghiệm và chạy mô phỏng, đội ngũ chuyên gia đã truy nguyên được nguồn gốc của sự cố bắt nguồn từ hiện tượng nhiễu loạn do sự trôi dạt của thiết bị điện cũng như sự biến thiên nhiệt độ bên trong phòng thí nghiệm. Sự can nhiễu ngoại cảnh này đã làm sai lệch độ chính xác trong các phương pháp đo lường sẵn có của nhóm.

Để khắc phục, các nhà nghiên cứu đã nâng cấp khả năng kiểm soát bộ vi xử lý, đồng thời phát triển một kỹ thuật đánh giá chuẩn mới bằng cách tận dụng chính quá trình nuôi cấy để thẩm định kết quả đầu ra. Những tinh chỉnh đồng bộ này đã giúp bộ vi xử lý Willow giảm được 40 lần sai số so với các trạng thái lượng tử không trải qua quá trình nuôi cấy, đồng thời tạo ra trạng thái T logic - một dạng trạng thái ma thuật đặc biệt - với độ trung thực đạt tới 99,99%.

Không dừng lại ở việc kéo giảm tỷ lệ lỗi, nhóm nghiên cứu của Google còn chứng minh thành công việc dịch chuyển các trạng thái lượng tử đã được làm sạch qua lại giữa hai phương pháp sửa lỗi khác nhau ngay trên phần cứng thực tế. Cụ thể, các chuyên gia đã thực hiện quá trình mang tên ghép nối để chuyển trạng thái từ mã màu khoảng cách 3 sang mã bề mặt khoảng cách 5.

Trong lĩnh vực tổ chức thông tin lượng tử để phát hiện và sửa lỗi, thông số khoảng cách biểu thị mức độ bảo vệ của bộ mã trước những sai số nhất định. Việc trạng thái lượng tử được tạo lập kỹ lưỡng có thể vượt qua quá trình chuyển đổi giữa hai phương pháp mang ý nghĩa rất lớn, bởi các thế hệ máy tính lượng tử tương lai có thể sẽ phải kết hợp nhiều kỹ thuật sửa lỗi khác nhau nhằm đảm bảo độ tin cậy khi tính toán mà vẫn giới hạn được yêu cầu về phần cứng.

Mặc dù cuộc thử nghiệm đã mang lại những thông số ấn tượng, kết quả này không đồng nghĩa với việc Google đã xóa sổ hoàn toàn nút thắt cổ chai về trạng thái ma thuật hay đã chế tạo thành công một cỗ máy tính lượng tử chịu lỗi hoàn chỉnh.

Bản thân Google cũng thẳng thắn thừa nhận rằng kỹ thuật nuôi cấy trạng thái ma thuật vẫn cần phải được kiểm chứng và trình diễn ở quy mô lớn hơn rất nhiều trước khi thực sự đủ khả năng hỗ trợ cho các ứng dụng lượng tử hữu ích trong đời sống.