IBM giới thiệu một chiến lược 'giảm lỗi lượng tử' mới mạnh mẽ

Hôm nay, IBM công bố một chiến lược mới cho việc triển khai một số kỹ thuật 'giảm lỗi' được thiết kế để mang lại thời đại của máy tính lượng tử chống lỗi.

Ngay từ đầu: Bất kỳ ai vẫn còn giữ niềm tin rằng mạch lượng tử quá ồn ào để tính toán hữu ích sắp sửa sẽ phải thất vọng.

Một thập kỷ trước, ý tưởng về một hệ thống máy tính lượng tử hoạt động dường như là điều xa xỉ đối với hầu hết chúng ta. Ngày nay, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới kết nối với hệ thống lượng tử trên đám mây của IBM với tần suất đến mức, theo giám đốc cơ sở hạ tầng lượng tử của IBM, khoảng ba tỷ mạch lượng tử được hoàn thành mỗi ngày.

IBM và các công ty khác đã sử dụng công nghệ lượng tử để thực hiện những việc mà máy tính nhị phân cổ điển không thể thực hiện được hoặc sẽ mất quá nhiều thời gian hoặc năng lượng. Nhưng vẫn còn rất nhiều công việc cần phải thực hiện.

Ước mơ là tạo ra một máy tính lượng tử hữu ích, chống lỗi có khả năng thể hiện rõ ràng lợi thế lượng tử — điểm mà bộ xử lý lượng tử có khả năng thực hiện những điều mà bộ xử lý cổ điển đơn giản không thể.

Lịch sử: Tại Neural, chúng tôi xác định máy tính lượng tử là công nghệ quan trọng nhất của năm 2022 và điều này khó có thể thay đổi khi chúng ta tiếp tục bước đi vững chắc qua thời gian.

Ngắn gọn và dài hạn, máy tính lượng tử hứa hẹn sẽ loại bỏ giới hạn tính toán hiện tại của chúng ta. Thay vì thay thế CPU hoặc GPU, nó sẽ thêm QPU (đơn vị xử lý lượng tử) vào bộ công cụ của chúng ta.

Điều này có nghĩa đối với từng trường hợp sử dụng cá nhân. Hầu hết chúng ta không cần máy tính lượng tử vì các vấn đề hàng ngày của chúng ta không phải là quá khó khăn.

Nhưng đối với các ngành như ngân hàng, năng lượng và an ninh, sự tồn tại của các công nghệ mới có khả năng giải quyết vấn đề phức tạp hơn so với công nghệ hiện tại có thể đại diện cho một sự chuyển đổi mô phỏng có thể chưa từng thấy kể từ sự xuất hiện của động lực hơi nước.

Nếu bạn có thể tưởng tượng một chiếc máy mộng mơ có khả năng tăng cường hiệu suất trên nhiều lĩnh vực ảnh hưởng cao — nó có thể tiết kiệm thời gian, tiền bạc và năng lượng ở quy mô có thể ảnh hưởng cuối cùng đến mỗi con người trên Trái Đất — thì bạn có thể hiểu tại sao IBM và những người khác rất hứng thú với việc xây dựng QPU thể hiện lợi thế lượng tử.

Vấn đề: Xây dựng các thành phần phần cứng có khả năng điều khiển cơ học lượng tử như một phương pháp để thực hiện một phép tính là, như bạn có thể tưởng tượng, rất khó khăn.

Suốt thập kỷ qua, IBM đã nghiên cứu cách giải quyết những vấn đề cơ bản gây khó khăn cho lĩnh vực này — bao gồm cơ sở hạ tầng cơ bản, làm mát và yêu cầu nguồn điện cần thiết chỉ để bắt đầu trong phòng thí nghiệm.

Hôm nay, lộ trình lượng tử của IBM cho thấy ngành công nghiệp đã đi được quãng đường rất xa:

Nhưng để đạt được nơi mà nó đang điều này, chúng ta cần giải quyết một trong số ít vấn đề cơ bản còn lại liên quan đến việc phát triển bộ xử lý lượng tử hữu ích: chúng ồn ào như quỷ.

Giải pháp: Qubits ồn ào là nỗi ác mộng hiện tại của kỹ sư máy tính lượng tử. Đơn giản là, bạn cố gắng ép xảo nhiều sức mạnh xử lý ra khỏi máy tính lượng tử, qubits của nó trở nên ồn ào hơn (qubits chính là các bit máy tính của máy tính lượng tử).

Cho đến nay, hầu hết công việc để làm dịu tiếng ồn này liên quan đến việc mở rộng qubits để tín hiệu các nhà khoa học đang cố đọc đủ mạnh để truyền qua.

Trong các giai đoạn thử nghiệm, việc giải quyết qubits ồn ào chủ yếu là một trò chơi Wack-a-mole. Khi các nhà khoa học đưa ra các kỹ thuật mới — nhiều trong số đó được tiên phong tại các phòng thí nghiệm của IBM — họ đã chuyển giao chúng cho các nhà nghiên cứu để ứng dụng mới.

Nhưng ngày nay, lĩnh vực này đã tiến triển khá nhiều. Nghệ thuật giảm lỗi đã phát triển từ các giải pháp một lần cụ thể thành một bộ kỹ thuật đầy đủ.

Theo IBM:

Các phần cứng lượng tử hiện tại đang chịu ảnh hưởng từ các nguồn tiếng ồn khác nhau, nổi tiếng nhất là suy giảm qubit, lỗi cổng cá nhân và lỗi đo lường. Những lỗi này giới hạn độ sâu của mạch lượng tử mà chúng ta có thể triển khai. Tuy nhiên, ngay cả đối với các mạch nông, tiếng ồn có thể dẫn đến ước lượng không chính xác. May mắn thay, giảm lỗi lượng tử cung cấp một bộ công cụ và phương pháp cho phép chúng ta đánh giá giá trị kỳ vọng chính xác từ các mạch lượng tử nông, ngay cả trước khi giới thiệu sự chịu lỗi.

Trong những năm gần đây, chúng tôi đã phát triển và triển khai hai phương pháp giảm lỗi tổng quát, được gọi là extrapolation không tiếng ồn (ZNE) và hủy lỗi xác suất (PEC).

Cả hai kỹ thuật đều liên quan đến các ứng dụng vô cùng phức tạp của cơ học lượng tử, nhưng nói chung, chúng đều xoay quanh việc tìm cách loại bỏ hoặc làm dịu tiếng ồn từ các hệ thống lượng tử và/hoặc tăng cường tín hiệu mà các nhà khoa học đang cố đo lường cho tính toán lượng tử và các quy trình khác.

Quan điểm của Neural: Chúng tôi đã nói chuyện với Giám đốc cơ sở hạ tầng lượng tử của IBM, Jerry Chow, người dường như khá phấn khích về mô hình mới này.

Ông giải thích rằng các kỹ thuật được quảng cáo trong thông cáo báo chí mới đã có sẵn trong sản xuất. IBM đã thể hiện sự cải thiện đáng kể về khả năng mở rộng giải pháp, lặp lại các kết quả tiên tiến và tăng tốc quá trình cổ điển bằng phần cứng lượng tử.

Điều quan trọng là máy tính lượng tử đã đến đây, và chúng hoạt động. Hiện tại, việc chúng có thể giải quyết một vấn đề cụ thể tốt hơn so với các hệ thống cổ điển hay không là một chút bất định, nhưng rào cản khó khăn cuối cùng là sự chịu lỗi.

Chiến lược “giảm lỗi” mới của IBM đánh dấu sự chuyển đổi từ giai đoạn phát hiện các giải pháp chịu lỗi sang giai đoạn triển khai.

Chúng tôi tỏ lòng kính trọng đối với đội ngũ nghiên cứu lượng tử của IBM. Tìm hiểu thêm tại đây tại blog chính thức của IBM.