Nhóm nghiên cứu do Pan Jianwei dẫn đầu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc cho biết họ đã trở thành đội ngũ đầu tiên ngoài Mỹ, và là nhóm thứ 2 trên thế giới sau Google, vượt qua một ngưỡng kỹ thuật then chốt quyết định tính khả thi của máy tính lượng tử trong thực tế.
Theo công bố đăng trên tạp chí Physical Review Letters tuần trước, máy tính lượng tử siêu dẫn mang tên Zuchongzhi 3.2 đã đạt tới ngưỡng chịu lỗi. Đây là điểm mà việc sửa lỗi không còn làm hệ thống kém ổn định hơn, mà ngược lại giúp giảm lỗi tổng thể, khắc phục nghịch lý tồn tại suốt nhiều năm trong lĩnh vực này, khi chính quá trình sửa lỗi lại tạo ra thêm sai sót mới.
Nghiên cứu được công bố tuần trước trên tạp chí Physical Review Letters. Khác với Google vốn dựa nhiều vào các biện pháp phần cứng phức tạp để triệt tiêu lỗi, nhóm Trung Quốc sử dụng phương pháp điều khiển hoàn toàn bằng vi sóng. Theo tuyên bố của nhóm, cách tiếp cận này có thể mở ra con đường hiệu quả hơn để xây dựng các máy tính lượng tử chịu lỗi quy mô lớn.
Joseph Emerson, nhà vật lý tại Đại học Waterloo ở Canada, người không tham gia nghiên cứu, nhận định công trình này đã trực diện giải quyết một trong những thách thức khó nhất của máy tính lượng tử, đó là hiện tượng các qubit lệch khỏi trạng thái mong muốn và âm thầm lan truyền lỗi trong toàn hệ thống.
Viết trên tạp chí Physics của Hội Vật lý Mỹ, ông đánh giá thí nghiệm là một thành tựu ấn tượng, dù vẫn còn cách khá xa quy mô cần thiết cho các ứng dụng thực tế.
Về nguyên lý, máy tính lượng tử khai thác các định luật của cơ học lượng tử thay vì logic bật tắt như máy tính truyền thống. Nhờ đó, chúng có tiềm năng giải quyết những bài toán cực kỳ phức tạp như tối ưu hóa hệ thống lớn hay mô phỏng phân tử chỉ trong vài phút, thay vì hàng nghìn năm với công nghệ hiện tại.
Tuy nhiên, rào cản lớn nhất của máy tính lượng tử là sự thiếu ổn định. Các qubit, đơn vị cơ bản của tính toán lượng tử, cực kỳ nhạy cảm với nhiệt, nhiễu và những dao động rất nhỏ từ môi trường xung quanh, khiến lỗi xuất hiện liên tục trong quá trình vận hành.
Để đối phó, các nhà khoa học phát triển kỹ thuật sửa lỗi lượng tử, phân tán thông tin trên nhiều qubit và liên tục kiểm tra sai sót. Thế nhưng điều này lại tạo ra một nghịch lý, bởi mỗi qubit bổ sung và mỗi phép kiểm tra mới cũng đồng thời mang theo những nguồn lỗi mới. Trong nhiều năm, các nỗ lực sửa lỗi thường khiến hệ thống trở nên kém tin cậy hơn.
Vì vậy, giới nghiên cứu tập trung vào một điểm bẻ gãy quan trọng gọi là ngưỡng sửa lỗi. Khi hệ thống hoạt động dưới ngưỡng này, việc sửa lỗi phản tác dụng và tạo thêm sai sót. Nhưng khi vượt qua ngưỡng, cán cân đảo chiều, sửa lỗi mang lại lợi ích ròng và giúp hệ thống ổn định hơn khi mở rộng.
Cả Trung Quốc và Mỹ đều đầu tư sớm vào kỹ thuật sửa lỗi lượng tử bằng mã bề mặt, một trong những phương pháp được nghiên cứu nhiều nhất hiện nay. Năm 2022, nhóm của Pan từng sử dụng bộ xử lý Zuchongzhi 2 để tạo ra một đơn vị sửa lỗi tối thiểu, còn gọi là qubit logic mã bề mặt khoảng cách 3, như một minh chứng nguyên lý ban đầu. Một năm sau, Google tiếp tục tiến xa hơn với mã bề mặt khoảng cách 5. Tuy nhiên, trong cả hai trường hợp, tỷ lệ lỗi của các qubit nền tảng vẫn quá cao, khiến hệ thống chưa thực sự vượt qua ngưỡng chịu lỗi.
Bước ngoặt xuất hiện vào tháng 2, khi Google công bố đột phá với bộ xử lý Willow. Bằng cách triệt tiêu một dạng lỗi đặc biệt nguy hiểm gọi là lỗi rò rỉ thông qua các xung dòng điện một chiều, Google trở thành nhóm đầu tiên trên thế giới đạt được qubit logic mã bề mặt khoảng cách 7 hoạt động dưới ngưỡng.
Dù vậy, theo nhóm của Pan Jianwei, cách tiếp cận này đặt ra những ràng buộc nghiêm ngặt về thiết kế chip và đòi hỏi hệ thống dây dẫn ngày càng phức tạp trong môi trường nhiệt độ siêu thấp khi mở rộng quy mô.
Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học Trung Quốc chọn con đường khác. Làm việc với bộ xử lý Zuchongzhi 3.2 gồm 107 qubit, họ phát triển phương pháp triệt tiêu lỗi rò rỉ hoàn toàn bằng vi sóng, sử dụng các tín hiệu được căn chỉnh chính xác thay cho việc bổ sung phần cứng điều khiển.
Kết hợp phương pháp này với sửa lỗi bằng mã bề mặt, nhóm nghiên cứu đã xây dựng được qubit logic khoảng cách 7, tương đương với các trình diễn tiên tiến nhất của Google. Quan trọng hơn, họ quan sát thấy khi hệ thống mở rộng, tỷ lệ lỗi tổng thể giảm xuống thay vì tăng lên.
Các phép đo cho thấy hệ số triệt tiêu lỗi đạt mức 1,4 - tức mỗi lần tăng kích thước mã sửa lỗi thì sai sót lại giảm thay vì bị khuếch đại. Đây là bằng chứng rõ ràng cho thấy hệ thống đã vận hành dưới ngưỡng.
Nhóm nghiên cứu cho rằng phương pháp thuần vi sóng mang lại nhiều lợi thế thực tiễn khi máy tính lượng tử phát triển lớn hơn. Nhờ khả năng ghép kênh, cho phép nhiều tín hiệu truyền trên cùng một dây dẫn, cách tiếp cận này có thể giảm đáng kể độ phức tạp của hệ thống dây và gánh nặng phần cứng, vốn là hai rào cản lớn nhất trong quá trình mở rộng bộ xử lý lượng tử.
Tổng hợp các kết quả, nhóm của Pan Jianwei cho rằng nghiên cứu này mở ra một lộ trình linh hoạt hơn và có tiềm năng mở rộng cao hơn hướng tới các máy tính lượng tử chịu lỗi với hàng trăm nghìn, thậm chí hàng triệu qubit trong tương lai.
