Để xây dựng một máy tính lượng tử phổ quát từ các thành phần lượng tử mỏng manh, việc thực hiện hiệu quả việc sửa lỗi lượng tử (QEC) là một yêu cầu thiết yếu và là một thách thức trọng tâm. QEC được sử dụng trong tính toán lượng tử, có tiềm năng giải quyết các vấn đề khoa học vượt ra ngoài phạm vi của siêu máy tính, để bảo vệ thông tin lượng tử khỏi các lỗi do nhiều nhiễu khác nhau.
Được xuất bản bởi tạp chí Thiên nhiên, nghiên cứu được đồng tác giả bởi nhà vật lý Chen Wang của Đại học Massachusetts Amherst, các nghiên cứu sinh Jeffrey Gertler và Shruti Shirol, và nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Juliang Li thực hiện một bước trong việc xây dựng một máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi. Họ đã nhận ra một loại QEC mới trong đó các lỗi lượng tử được sửa chữa một cách tự nhiên.
Máy tính ngày nay được chế tạo với các bóng bán dẫn đại diện cho các bit cổ điển (0 hoặc 1). Điện toán lượng tử là một mô hình tính toán mới thú vị bằng cách sử dụng các bit lượng tử (qubit), nơi chồng chất lượng tử có thể được khai thác để đạt được lợi ích theo cấp số nhân trong công suất xử lý. Tính toán lượng tử có khả năng chịu lỗi có thể thúc đẩy rất nhiều việc khám phá vật liệu mới, trí tuệ nhân tạo, kỹ thuật sinh hóa và nhiều ngành khác.
Vì các qubit về bản chất rất mỏng manh, thách thức nổi bật nhất của việc xây dựng các máy tính lượng tử mạnh mẽ như vậy là thực hiện hiệu quả việc sửa lỗi lượng tử. Các minh chứng hiện tại của QEC đang hoạt động, nghĩa là chúng yêu cầu kiểm tra định kỳ các lỗi và sửa ngay lập tức, điều này rất đòi hỏi tài nguyên phần cứng và do đó cản trở việc mở rộng quy mô của máy tính lượng tử.
Ngược lại, thí nghiệm của các nhà nghiên cứu đạt được QEC thụ động bằng cách điều chỉnh ma sát (hoặc tiêu tán) mà qubit trải qua. Bởi vì ma sát thường được coi là kẻ thù của sự kết hợp lượng tử, kết quả này có thể xuất hiện khá ngạc nhiên. Bí quyết là bộ tiêu tán phải được thiết kế đặc biệt theo cách lượng tử. Chiến lược chung này đã được biết đến trên lý thuyết trong khoảng hai thập kỷ, nhưng một cách thực tế để có được sự tiêu tán như vậy và đưa nó vào sử dụng cho QEC là một thách thức.
Chen nói: “Mặc dù thử nghiệm của chúng tôi vẫn còn là một minh chứng khá thô sơ, nhưng cuối cùng chúng tôi đã hoàn thành khả năng lý thuyết phản trực giác này của QEC tiêu tán. “Về phía trước, ngụ ý là có thể có nhiều cách hơn để bảo vệ qubit của chúng ta khỏi lỗi và làm như vậy ít tốn kém hơn. Do đó, thí nghiệm này làm tăng triển vọng về khả năng xây dựng một máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi hữu ích trong thời gian từ trung và dài hạn ”.
Chen mô tả theo cách nói của giáo dân rằng thế giới lượng tử có thể kỳ lạ như thế nào. “Như trong ví dụ nổi tiếng (hoặc khét tiếng) của nhà vật lý người Đức Erwin Schrödinger, một con mèo được đóng gói trong hộp kín có thể chết hoặc sống cùng một lúc. Mỗi qubit logic trong bộ xử lý lượng tử của chúng ta rất giống một con mèo nhỏ của Schrödinger. Trên thực tế, chúng tôi gọi nó là `` qubit mèo '' theo đúng nghĩa đen. Có nhiều mèo như vậy có thể giúp chúng ta giải quyết một số vấn đề khó khăn nhất trên thế giới.
“Thật không may, rất khó để giữ một con mèo ở lại như vậy vì bất kỳ khí, ánh sáng hoặc bất kỳ thứ gì rò rỉ vào hộp sẽ phá hủy phép thuật: Con mèo sẽ trở thành chết hoặc chỉ là một con mèo sống bình thường,” Chen giải thích. “Chiến lược đơn giản nhất để bảo vệ mèo của Schrodinger là làm cho chiếc hộp càng kín càng tốt, nhưng điều đó cũng khiến việc sử dụng nó để tính toán khó hơn. Những gì chúng tôi vừa chứng minh giống như việc sơn bên trong chiếc hộp theo một cách đặc biệt và điều đó bằng cách nào đó giúp con mèo sống sót tốt hơn trước tác hại không thể tránh khỏi của thế giới bên ngoài ”.
# # #
Đồng tác giả còn có Brian Baker và Jens Koch từ Đại học Northwestern.
