Các nhà nghiên cứu tiến gần hơn đến cột mốc trong tiêu chuẩn hóa lượng tử

Phương pháp mới, được gọi là chương trình thử tuần hoàn (cycle benchmarking), cho phép các nhà nghiên cứu đánh giá tiềm năng mở rộng quy mô và so sánh một nền tảng lượng tử với một nền tảng lượng tử khác.

“Phát hiện này có thể dẫn chúng ta đến một con đường dài hướng đến việc thiết lập các tiêu chuẩn cho hiệu suất và tăng cường nỗ lực thiết kế và xây dựng một máy tính lượng tử ở quy mô lớn”, Joel Wallman, một trợ lý giáo sư tại Khoa toán trường đại học Waterloo và Viện nghiên cứu tính toán lượng tử, nói. “Một phương pháp thích hợp cho việc đặc tính hóa và hiệu chỉnh các lỗi trong các hệ lượng tử đem lại tiêu chuẩn để đánh giá bộ xử lý lượng tử, cho phép đạt được những tiến triến trong các kiến trúc khác nhau để có thể so sánh chúng một cách công bằng”.

Chương trình thử tuần hoàn cung cấp một giải pháp giúp các user tính toán lượng tử có thể xác định được cả giá trị so sánh của các nền tảng phần cứng cạnh tranh lẫn gia tăng năng lực của từng nền tảng để phân phối các giải pháp thiết thực cho những ứng dụng mà họ quan tâm.

Đột phá này đến khi cuộc đua lượng tử đang diễn ra hết sức ráo riết, và số lượng các nền tảng tính toán lượng tử đám mây và những đề xuất đang ngày càng mở rộng. Chỉ trong vòng vài tháng gần đây, đã có nhiều loan báo ấn tượng từ Microsoft, IBM và Google về những bước tiến đạt được trong tính toán lượng tử.

Phương pháp này giúp xác định tổng xác suất lỗi trong bất kỳ ứng dụng tính toán lượng tử cho trước nào khi ứng dụng được thực hiện thông qua biên dịch ngẫu nhiên. Điều này có nghĩa là chương trình thử tuần hoàn cung cấp các phương thức đa nền tảng đầu tiên của đo đạc và so sánh các năng lực của các bộ xử lý lượng tử tùy biến cho các ứng dụng của người sử dụng.

“Nhờ nghiên cứu gần đây của Google, chúng ta đã ở gần với bình minh ‘kỷ nguyên khám phá lượng tử’”, Joseph Emerson, một thành viên của nhóm nghiên cứu cho biết. “Điều đó có nghĩa là các máy tính lượng tử dễ gặp lỗi sẽ có thể mang đến những giải pháp cho những vấn đề tính toán thú vị nhưng chất lượng của những giải pháp đó có thể được xác nhận bằng những máy tính hiệu năng cao”.

“Chúng tôi rất phấn khích bởi chương trình thử tuần hoàn đem lại một giải pháp như mong muốn để cải thiện và xác nhận các giải pháp tính toán lượng tử trong kỷ nguyên mới của khám phá lượng tử”.

Emerson và Wallman đã lập ra công ty spin-off Quantum Benchmark Inc. của Viện nghiên cứu tính toán lượng tử, mới cấp phép chính công nghệ này cho nhiều nhà cung cấp tính toán lượng tử hàng đầu thế giới, trong đó Quantum AI của Google.

Về cơ bản, việc các máy tính lượng tử đưa ra được một cách tính toán hiệu quả là nhờ cơ học lượng tử. Nếu so sánh với máy tính truyền thống hay máy tính số, các máy tính lượng tử có thể giải quyết được nhiều dạng bài toán hiệu quả gấp bội. Dẫu vậy, các bit lượng tử - các đơn vị xử lý cơ bản trong máy tính lượng tử - lại rất mong manh; bất kỳ một nguồn nhiễu hoặc một sự thiếu hoàn hảo trong hệ thống này cũng đều có thể dẫn đến các lỗi, nguyên nhân làm các giải pháp trở nên thiếu chính xác trong tính toán lượng tử.

Tăng thêm khả năng kiểm soát một máy tính lượng tử ở quy mô nhỏ với chỉ một hoặc hai bit lượng tử là bước đầu tiên để tiến đến một nỗ lực giàu tham vọng hơn. Một máy tính lượng tử quy mô lớn có thể có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ phức tạp, giống như học máy hoặc mô phỏng các hệ phức tạp để khám phá một loại thuốc chữa bệnh mới. Thiết kế một máy tính lượng tử quy mô lớn với nhiều bit lượng tử là một thách thức; phổ của các đường lỗi trở nên phức tạp hơn vì các bit lượng tử được tăng lên và quy mô của hệ lượng tử lớn hơn.

Đặc tính hóa một hệ lượng tử tạo ra một hồ sơ về nhiễu và lỗi, chỉ dẫn nếu bộ xử lý đang thực hiện các nhiệm vụ hoặc các phép tính thì yêu cầu nó thực hiện. Để hiểu về hiệu suất của bất kỳ máy tính lượng tử nào cho một vấn đề phức tạp hay nâng quy mô một máy tính lượng tử bằng cách giảm thiểu lỗi, trước tiên cần phải đặc tính hóa tất cả các lỗi trực tiếp ảnh hưởng đến hệ đó.

Wallman, Emerson và một nhóm các nhà nghiên cứu tại trường đại học Innsbruck đã nhận diện được một phương pháp đánh giá những tỉ lệ lỗi ảnh hưởng đến một máy tính lượng tử. Họ đã hoàn thiện kỹ thuật mới này cho một bẫy ion máy tính lượng tử tại trường đại học Innsbruck và tìm thấy các tỉ lệ lỗi không tăng lên theo quy mô của máy tính lượng tử.

“Nếu trên đường nghiên cứu cách gia tăng quy mô của thiết kế máy tính lượng tử thì chương trình thử tuần hoàn là phương pháp đầu tiên để kiểm tra một cách tin cậy”, Wallman nói. “Những kết quả này rất đáng kể bởi chúng cung cấp một cách toàn diện về đặc tính hóa các lỗi xuất hiện trong tất cả các nền tảng tính toán lượng tử”.

Công bố “Characterizing large-scale quantum computers via cycle benchmarking” được xuất bản trên Nature Communications.

Tô Vân dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-11-milestone-quantum-standardization.html