Trong thế giới sửa lỗi lượng tử, một kẻ yếu thế đang đến với nhà vua.

Tuần trước, các mô phỏng mới từ hai nhóm đã báo cáo rằng một loại mã sửa lỗi lượng tử ngày càng hiệu quả hơn so với tiêu chuẩn vàng hiện tại, được gọi là mã bề mặt, theo một bậc độ lớn. Tất cả các mã đều hoạt động bằng cách chuyển đổi một nhóm qubit dễ bị lỗi thành một dải qubit “được bảo vệ” nhỏ hơn nhiều và hiếm khi mắc lỗi. Nhưng trong hai mô phỏng, mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp – hay LDPC – có thể tạo ra số qubit được bảo vệ trong số lượng qubit thô ít hơn từ 10 đến 15 lần so với mã bề mặt. Cả hai nhóm đều chưa thực hiện những bước nhảy vọt mô phỏng này trong phần cứng thực tế, nhưng các bản thiết kế thử nghiệm cho thấy những mã này hoặc những mã giống như chúng có thể đẩy nhanh sự xuất hiện của các thiết bị lượng tử có khả năng cao hơn.

“Có vẻ như nó thực sự sắp thành hiện thực,” nói Daniel Gottesman của Đại học Maryland, người nghiên cứu mã LDPC nhưng không tham gia vào các nghiên cứu gần đây. “Những [mã] này có thể là những thứ thiết thực có thể cải thiện đáng kể khả năng tạo ra máy tính lượng tử của chúng ta.”

Máy tính cổ điển chạy trên các bit hiếm khi hoạt động sai. Nhưng các vật thể giống như hạt – qubit – mà máy tính lượng tử cung cấp năng lượng sẽ mất đi sức mạnh lượng tử khi có bất kỳ thứ gì đẩy chúng ra khỏi trạng thái mỏng manh. Để biến các qubit trong tương lai thành hữu ích, các nhà nghiên cứu có kế hoạch sử dụng sửa lỗi lượng tử, việc sử dụng thêm qubit để mã hóa thông tin một cách dư thừa. Về mặt tinh thần, nó tương tự như việc bảo vệ tin nhắn khỏi trạng thái tĩnh bằng cách nói mỗi từ hai lần, truyền bá thông tin cho nhiều ký tự hơn.

Vua kinh điển

Năm 1998, Alexei Kitaev thuộc Viện Công nghệ California và Sergey Bravyi, lúc đó thuộc Viện Vật lý Lý thuyết Landau ở Nga, đã giới thiệu mã bề mặt sửa lỗi lượng tử. Nó tổ chức các qubit thành một lưới hình vuông và thực hiện một cái gì đó giống như trò chơi Minesweeper: Mỗi qubit kết nối với bốn qubit lân cận, do đó, việc kiểm tra các qubit trợ giúp được chỉ định cho phép bạn rình mò bốn qubit mang dữ liệu một cách kín đáo. Tùy thuộc vào việc kiểm tra trả về 0 hay 1, bạn có thể suy ra liệu một số hàng xóm có sai sót hay không. Bằng cách kiểm tra bảng, bạn có thể suy ra lỗi ở đâu và sửa chúng.

Thông qua các lần kiểm tra này — và các chỉnh sửa tinh tế hơn đối với các qubit không ổn định — bạn cũng có thể ẩn một qubit đáng tin cậy trong toàn bộ các qubit mang dữ liệu của khối vuông, không chính xác ở đây hay ở đó mà ở khắp mọi nơi. Miễn là các qubit không ổn định giữ cho hoạt động của Máy quét mìn diễn ra suôn sẻ, thì qubit ẩn vẫn an toàn và có thể được điều khiển để thực hiện các hoạt động. Bằng cách này, mã bề mặt kết hợp nhiều qubit kém chất lượng thành một qubit duy nhất hiếm khi mắc lỗi.

“Điều hơi khó chịu đối với tôi là mã bề mặt là thứ đơn giản nhất mà bạn có thể nghĩ ra,” nói Nikolas Breuckmann, một nhà vật lý chuyển sang làm toán học tại Đại học Bristol, người đã dành nhiều năm cố gắng cải tiến hệ thống này. “Và nó hoạt động rất tốt.”

Mã đã trở thành tiêu chuẩn vàng để sửa lỗi; nó có khả năng chấp nhận cao các qubit hoạt động sai và lưới rất dễ hình dung. Kết quả là mã bề mặt đã ảnh hưởng đến việc thiết kế bộ xử lý lượng tử và bản đồ đường đi lượng tử.

“Đó là việc phải làm,” nói Barbara Terhal, một nhà lý thuyết thông tin lượng tử tại viện nghiên cứu QuTech ở Hà Lan. “Đây là con chip bạn phải làm.”

Nhược điểm của mã bề mặt, vẫn chưa được chứng minh đầy đủ trong thực tế, là ham muốn vô độ đối với qubit. Cần có các khối qubit kém chất lượng lớn hơn để bảo vệ mạnh mẽ hơn qubit đáng tin cậy. Và để tạo ra nhiều qubit được bảo vệ, bạn cần ghép nhiều khối lại với nhau. Đối với các nhà nghiên cứu mơ ước chạy thuật toán lượng tử trên nhiều qubit được bảo vệ, đây là những gánh nặng nặng nề.

Năm 2013, Gottesman đã nhìn thấy một lối thoát tiềm năng cho tình trạng hỗn loạn này.

Các nhà nghiên cứu bao gồm Terhal và Bravyi đã tìm thấy bằng chứng gợi ý rằng, đối với một mã phẳng chỉ kết nối hàng xóm với hàng xóm, mã bề mặt đã hoạt động tốt như bạn mong đợi. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu bạn cho phép mỗi lần kiểm tra liên kết các qubit ở xa với nhau? Các nhà lý thuyết thông tin lượng tử đã bắt đầu khám phá các mã có các kết nối “phi cục bộ” như vậy, thường được gọi ngẫu nhiên là mã LDPC. (Thật khó hiểu, mã bề mặt về mặt kỹ thuật cũng là mã LDPC, nhưng trong thực tế, thuật ngữ này thường đề cập đến các thành viên nhóm kỳ lạ hơn với các kiểm tra không cục bộ.)

Gottesman sau đó đã chỉ ra rằng một số mã LDPC nhất định có thể ít hung dữ hơn nhiều: Chúng có thể nhồi nhét nhiều qubit được bảo vệ vào một khối duy nhất, điều này sẽ giúp tránh được các yêu cầu về qubit phình to của mã bề mặt đối với các thuật toán lớn hơn.

Nhưng công trình của Gottesman đã được lý tưởng hóa cao độ và về cơ bản được coi là vô số qubit. Thách thức thực tế là xem liệu các nhà nghiên cứu có thể thu nhỏ mã LDPC để hoạt động trong các thiết bị lượng tử thực sự trong khi vẫn duy trì được sức mạnh của chúng hay không.

Thể hiện sự bảo vệ ảo

Trong hai năm qua, Breuckmann và các nhà nghiên cứu khác đã bắt đầu xem xét kỹ lưỡng hiệu suất của mã LDPC có thể chạy trên các hệ thống ngày càng nhỏ hơn. Người ta hy vọng rằng một số có thể phù hợp với các thiết bị ngày nay, có thể cung cấp 100 qubit thô.

Tuần trước, một nhóm các nhà nghiên cứu tại IBM do Bravyi dẫn đầu đã công bố một mô phỏng của bản thiết kế LDPC nhỏ nhất và cụ thể nhất, dựa trên mã LDPC từ một giấy tờ ít được biết đến được xuất bản vào năm 2012. Nó bắt đầu bằng việc kiểm tra mã bề mặt của bốn qubit lân cận và thêm hai qubit “không tiêu điểm” được lựa chọn cẩn thận.

Họ mô phỏng các lỗi khác nhau có thể phát sinh nếu mã được chạy trên một mạch thực, một quá trình giống như đưa một máy bay chiến đấu kỹ thuật số vào một đường hầm gió kỹ thuật số và xem nó bay như thế nào. Và họ nhận thấy rằng mã của họ có thể bảo vệ các qubit đáng tin cậy hiệu quả hơn nhiều so với mã bề mặt. Trong một lần chạy thử nghiệm, mã đã lấy 288 qubit thô có tỷ lệ lỗi 0.1% và sử dụng chúng để tạo ra 12 qubit được bảo vệ với tỷ lệ lỗi thấp hơn 10,000 lần. Nhóm nghiên cứu ước tính, đối với cùng một nhiệm vụ, mã bề mặt sẽ cần hơn 4,000 qubit đầu vào.

Andrew Cross, một nhà nghiên cứu của nhóm IBM cho biết: “Chúng tôi rất ngạc nhiên về điều đó.

Mô phỏng này hé lộ khả năng sửa lỗi cho ngày mai ngay hôm nay, bởi vì mặc dù không ai có quyền truy cập vào 4,000 qubit nhưng các thiết bị có hàng trăm qubit lại sắp xuất hiện.

Gottesman cho biết: “Bạn có thể thấy khả năng chịu lỗi khá cao với các thiết bị có số lượng qubit mà chúng tôi có ngày nay”.

Một ngày sau khi bản thảo sơ bộ của IBM xuất hiện, sự hợp tác giữa nhiều tổ chức gồm các nhà nghiên cứu đứng đầu là Mikhail lukin của Đại học Harvard và Lương Giang của Đại học Chicago đăng kết quả tương tự. (Các nhà nghiên cứu từ chối thảo luận về công việc của họ, công việc đã được gửi đến một tạp chí được bình duyệt.) Họ đã loại bỏ hai nghiên cứu khác. LDPC mã số, đã sửa đổi chúng để mô phỏng và nhận thấy rằng chúng cũng yêu cầu khoảng XNUMX/XNUMX số lượng qubit đầu vào để tạo ra hàng chục đến hàng trăm qubit tốt khi so sánh với mã bề mặt.

Nhưng việc chế tạo một chiếc F-35 khó hơn việc mô phỏng một chiếc F-35 và việc chế tạo một thiết bị sẵn sàng cho mã LDPC cũng sẽ vô cùng khó khăn. Gottesman nói: “Có hai điều chính có thể ngăn những thứ này thực sự tiếp quản.

Đầu tiên, việc tạo ra các kết nối phi cục bộ giữa các qubit là một điều khó khăn, đặc biệt đối với các công ty như IBM tạo ra qubit từ các mạch siêu dẫn cố định. Việc kết nối các mạch đó với các mạch lân cận là điều đương nhiên, nhưng việc tạo liên kết giữa các qubit ở xa thì không.

Thứ hai, mã LDPC vượt trội khi các qubit được bảo vệ của chúng được sử dụng cho bộ nhớ, giống như trong mô phỏng của IBM. Nhưng khi nói đến việc sử dụng các qubit mơ hồ, chồng chéo đó để tính toán, cấu trúc mã rối rắm, không cục bộ khiến việc chọn và điều khiển các qubit mong muốn trở nên khó khăn hơn nhiều.

“Về nguyên tắc, chúng tôi biết có thể thực hiện được những tính toán này,” Gottesman, người đã phác thảo ra một kế hoạch thực hiện điều đó trong công trình năm 2013 của mình, cho biết. “Nhưng chúng tôi không biết liệu có thể thực hiện điều đó một cách thực tế hay không.”

Lukin và các đồng nghiệp đã có những bước đi khiêm tốn nhằm giải quyết những điểm yếu cơ bản này. Thứ nhất, nhóm đã mô phỏng tính toán đầu cuối bằng cách kết hợp bộ nhớ lượng tử được bảo vệ LDPC với bộ xử lý lượng tử được bảo vệ bằng mã bề mặt. Trong kế hoạch đó, khoản tiết kiệm qubit phần lớn không phải chịu gánh nặng tính toán, nhưng phải trả giá bằng việc chạy tính toán lâu hơn.

Hơn nữa, nhóm của Lukin đã điều chỉnh mô phỏng của họ cho phù hợp với một loại qubit chuyển vùng tự do đó là sự phù hợp tự nhiên để sắp xếp các kết nối tầm xa. Không giống như các mạch siêu dẫn cố định, qubit của chúng là các nguyên tử được giữ bởi các chùm tia laser. Bằng cách di chuyển các tia laser, họ có thể tiếp xúc với các qubit ở xa. “Điều này thật tuyệt vời đối với mã LDPC,” Breuckmann nói.

Khi nào - hoặc thậm chí nếu - mã LDPC sẽ trở thành hiện thực vẫn chưa chắc chắn. Việc trình diễn hàng chục qubit bộ nhớ đáng tin cậy có thể sẽ phải mất ít nhất vài năm nữa trong những dự báo lạc quan nhất và các tính toán vẫn còn xa vời. Nhưng những mô phỏng gần đây làm cho mã bề mặt ngày càng giống như một bước đệm trên con đường dẫn đến tính toán lượng tử, hơn là đích đến.

Breuckmann nói: “Có lý do khiến mã bề mặt đã tồn tại được 20 năm. “Thật khó để đánh bại, nhưng giờ chúng tôi có bằng chứng cho thấy chúng tôi thực sự có thể đánh bại nó”.