Máy tính lượng tử có thể vượt qua điện toán thông thường trong các nhiệm vụ thiết yếu, nhưng chúng dễ mắc lỗi mà cuối cùng dẫn đến mất thông tin lượng tử, hạn chế các thiết bị lượng tử ngày nay. Do đó, để đạt được các bộ xử lý thông tin lượng tử quy mô lớn, các nhà khoa học cần phát triển và thực hiện các chiến lược sửa lỗi lượng tử.

Các nhà nghiên cứu tại công ty điện toán lượng tử có trụ sở tại Paris Alice & Bob, cùng với các đồng nghiệp tại ENS–PSL và ENS de Lyon của Pháp, hiện đã đạt được những bước tiến đáng kể hướng tới giải pháp bằng cách tăng cường sự ổn định và kiểm soát cái gọi là qubit mèo. Được đặt theo tên thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng của Erwin Schrödinger, các bit lượng tử này sử dụng các trạng thái kết hợp của bộ cộng hưởng lượng tử làm trạng thái logic của chúng. Qubit Cat hứa hẹn sẽ sửa lỗi lượng tử vì chúng được xây dựng từ các trạng thái kết hợp, khiến chúng trở nên mạnh mẽ về bản chất trước một số loại lỗi nhất định từ môi trường.

Một giao thức đo lường mới

Bit lượng tử mắc phải hai loại lỗi: đảo pha và đảo bit. Trong điện toán lượng tử, lật bit là một lỗi làm thay đổi trạng thái của qubit từ |0⟩ thành |1⟩ hoặc ngược lại, tương tự như lật một bit cổ điển từ 0 thành 1. Ngược lại, lật pha là một lỗi làm thay đổi pha tương đối giữa các thành phần |0⟩ và |1⟩ của trạng thái chồng chất của qubit. Qubit Cat có thể được ổn định để chống lại lỗi lật bit bằng cách ghép qubit với môi trường ưu tiên trao đổi các cặp photon với hệ thống. Điều này tự động chống lại tác động của một số lỗi tạo ra hiện tượng lật bit và đảm bảo rằng trạng thái lượng tử vẫn nằm trong không gian con được sửa lỗi mong muốn. Tuy nhiên, thách thức của việc sửa lỗi lượng tử không chỉ là ổn định qubit. Đó cũng là việc kiểm soát chúng mà không phá vỡ các cơ chế giữ chúng ổn định.

In đầu tiên của một cặp nghiên cứu được đăng trên arXiv máy chủ in trước và chưa được bình duyệt, các nhà nghiên cứu tại Alice & Bob, ENS-PSL và ENS de Lyon đã tìm ra cách tăng thời gian lật bit lên hơn 10 giây – dài hơn bốn bậc so với việc triển khai cat-qubit trước đây – trong khi vẫn kiểm soát hoàn toàn qubit mèo. Họ đã đạt được điều này bằng cách giới thiệu một giao thức đọc không ảnh hưởng đến khả năng bảo vệ lật bit trong qubit mèo của họ, bao gồm sự chồng chất lượng tử của hai trạng thái lượng tử cổ điển bị mắc kẹt trong một bộ cộng hưởng lượng tử siêu dẫn trên một con chip. Điều quan trọng là sơ đồ đo lường mới mà họ nghĩ ra để đọc và kiểm soát các trạng thái qubit này không dựa vào các yếu tố điều khiển vật lý bổ sung, vốn trước đây đã hạn chế thời gian lật bit có thể đạt được.

Các thiết kế thí nghiệm trước đây sử dụng một transmon siêu dẫn – một nguyên tố lượng tử hai cấp – để điều khiển và đọc trạng thái của qubit mèo. Tại đây, các nhà nghiên cứu đã nghĩ ra một sơ đồ điều khiển và đọc mới sử dụng cùng một bộ cộng hưởng phụ cung cấp cơ chế ổn định hai photon cho qubit mèo. Là một phần của kế hoạch này, họ đã triển khai cái gọi là cổng holonomic, biến đổi tính chẵn lẻ của trạng thái lượng tử thành số lượng photon trong bộ cộng hưởng. Tính chẵn lẻ của số photon là một tính chất đặc trưng của qubit mèo: sự chồng chất bằng nhau của hai trạng thái kết hợp chỉ chứa sự chồng chất của số photon chẵn, trong khi cùng một sự chồng chất nhưng có dấu trừ chỉ chứa sự chồng chất của số photon lẻ. Do đó, tính chẵn lẻ cung cấp thông tin về trạng thái của hệ lượng tử.

Thiết kế lại sự ổn định của qubit mèo

Nhóm Alice & Bob đã chuẩn bị và chụp ảnh các trạng thái chồng chất lượng tử đồng thời kiểm soát pha của các chồng chất này và duy trì thời gian lật bit trên 10 giây và thời gian lật pha dài hơn 490 ns. Tuy nhiên, việc hiện thực hóa hoàn toàn một máy tính lượng tử sửa lỗi quy mô lớn dựa trên qubit mèo sẽ không chỉ đòi hỏi khả năng kiểm soát tốt và đọc nhanh mà còn là phương tiện đảm bảo qubit mèo vẫn ổn định đủ lâu để thực hiện tính toán. Các nhà nghiên cứu từ Alice & Bob và ENS de Lyon đã giải quyết nhiệm vụ quan trọng và đầy thách thức này trong nghiên cứu thứ hai.

Để tạo ra một qubit mèo ổn định, hệ thống có thể được điều khiển bằng quy trình hai photon, tiêm các cặp photon trong khi chỉ làm tiêu tan hai photon cùng một lúc. Điều này thường được thực hiện bằng cách ghép qubit mèo với một bộ cộng hưởng phụ và bơm một phần tử gọi là SQUID có luồng không đối xứng (ATS) với các xung vi sóng được điều chỉnh chính xác. Tuy nhiên, cách tiếp cận này đặt ra những hạn chế đáng kể, chẳng hạn như sự tích tụ nhiệt, kích hoạt các quá trình không mong muốn và sự cần thiết của các thiết bị điện tử vi sóng cồng kềnh.

Để giảm thiểu những vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế lại cơ chế tiêu tán hai photon để không cần bơm bổ sung như vậy. Thay vì ATS, họ đã triển khai qubit mèo ở chế độ bộ dao động siêu dẫn kết hợp với chế độ phụ trợ tổn hao thông qua một phần tử phi tuyến bao gồm nhiều điểm nối Josephson. Nguyên tố Josephson đóng vai trò như một “bộ trộn” giúp có thể khớp chính xác năng lượng của hai photon qubit mèo với năng lượng của một photon trong bộ cộng hưởng phụ. Kết quả là, trong cái gọi là quá trình tự tham số này, các cặp photon trong bộ cộng hưởng qubit mèo được biến đổi thành một photon duy nhất của chế độ đệm mà không cần thêm bất kỳ bơm vi sóng nào.

Bằng cách thiết kế một mạch siêu dẫn có cấu trúc đối xứng, nhóm nghiên cứu có thể ghép một bộ cộng hưởng chất lượng cao với một bộ cộng hưởng chất lượng thấp thông qua cùng một phần tử Josephson. Do đó, họ đã tăng tốc độ tiêu tán của hai photon lên gấp 10 lần so với các kết quả trước đó, với thời gian lật bit gần bằng một giây – trong trường hợp này bị giới hạn bởi transmon. Cần có tốc độ tiêu tán hai photon cao để thao tác qubit nhanh và chu kỳ sửa lỗi ngắn. Đây là những yếu tố quan trọng để sửa các lỗi đảo pha còn lại trong mã lặp lại của qubit mèo.

Các ứng dụng trong tương lai với qubit mèo

Gerhard Kirchmair, một nhà vật lý tại Viện Quang học Lượng tử và Thông tin Lượng tử ở Innsbruck, Áo, người không tham gia vào cả hai nghiên cứu, cho biết cả hai công trình đều mô tả các bước quan trọng hướng tới việc hiện thực hóa một qubit được sửa lỗi hoàn toàn. Kirchmair nói: “Đây là những bước tiếp theo hướng tới việc sửa lỗi hoàn chỉnh. “Họ chứng minh rõ ràng rằng có thể đạt được mức bảo vệ theo cấp số nhân chống lại hiện tượng lật bit trong các hệ thống này, điều này chứng tỏ rằng phương pháp này khả thi để thực hiện sửa lỗi lượng tử hoàn toàn.”

Các nhà nghiên cứu thừa nhận rằng vẫn còn những trở ngại đáng kể. Vì độ chính xác của việc đọc bằng giao thức cổng ba chiều khá hạn chế nên họ muốn tìm cách cải thiện nó. Việc trình diễn các cổng liên quan đến nhiều qubit mèo và kiểm tra xem liệu cơ chế bảo vệ lật bit vốn có có còn hay không sẽ là một bước quan trọng khác. Hơn nữa, với thiết lập thiết bị tự động tham số mới để trao đổi các cặp photon, Raphaël Lescanne, người đồng sáng lập Alice & Bob, dự đoán có thể ổn định một qubit mèo bằng cách sử dụng bốn trạng thái kết hợp khác nhau thay vì chỉ hai. “Mục tiêu của chúng tôi là sử dụng sức mạnh ghép nối phi tuyến tính chưa từng có để ổn định cat-qubit bốn thành phần, điều này sẽ mang lại trên trang web bảo vệ lỗi lật pha cùng với bảo vệ lỗi lật bit,” Lescanne nói.

Kirchmair tin rằng những kết quả này mở đường cho các phương án sửa lỗi phức tạp hơn dựa trên các qubit có độ nhiễu cao này, trong đó tốc độ lật bit thấp hơn nhiều so với tốc độ lật pha còn lại. Kirchmair cho biết: “Các bước tiếp theo sẽ là mở rộng quy mô hệ thống này để sửa lỗi đảo pha, từ đó tạo ra một qubit được sửa lỗi hoàn toàn”. Thế giới vật lý. “Người ta thậm chí có thể tưởng tượng việc kết hợp cả hai cách tiếp cận trong một hệ thống để tận dụng tối đa cả hai kết quả và cải thiện thời gian lật bit hơn nữa.”

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/