Microsoft công bố mã hình học 4D giảm lỗi máy tính lượng tử gấp 1.000 lần

Động thái này được xem là bước tiến quan trọng nhằm khắc phục thách thức lớn nhất đang cản trở việc triển khai quy mô máy tính lượng tử: khả năng chịu lỗi (fault tolerance).

Phần lớn phương pháp sửa lỗi hiện nay không chỉ khó mở rộng mà còn tiêu tốn nhiều tài nguyên, hoặc thậm chí cả hai. Nhóm khoa học của Microsoft khẳng định đã khắc phục được vấn đề này nhờ mã hiệu chỉnh hình học 4D mới - Ảnh: Getty

Theo Live Science, khác với máy tính cổ điển, nơi mỗi bit có thể được sao chép và kiểm tra chéo để phát hiện và phục hồi lỗi, qubit không cho phép sao chép và sẽ “sụp đổ” khi đo lường. Điều này khiến tần suất lỗi (error rate) trên các hệ thống lượng tử thường cao hơn nhiều so với máy tính truyền thống. Để khắc phục, các giải pháp sửa lỗi lượng tử thường bổ sung thêm qubit “vật lý” liên kết rối lượng (entangled) với qubit “logic” mang thông tin chính. Thay vì đo trực tiếp qubit logic, hệ thống đo các qubit vật lý – giúp phát hiện sai sót mà không làm gián đoạn trạng thái lượng tử của bộ tính.

Tuy nhiên, hầu hết mã hiệu chỉnh lỗi hiện nay đều đòi hỏi số lượng qubit vật lý rất lớn, tiêu tốn tài nguyên và năng lượng tính toán, đồng thời khó mở rộng khi tăng kích cỡ hệ thống.

Nhóm nghiên cứu tại Microsoft Quantum, do bà Krysta Svore, chuyên gia kỹ thuật phát triển lượng tử tiên tiến, dẫn dắt, đã phát triển “mã hình học 4D” chỉ cần rất ít qubit vật lý cho mỗi qubit logic, cho phép kiểm tra lỗi chỉ trong một lần chụp và đạt tỷ lệ lỗi giảm 1.000 lần so với tiêu chuẩn trước đây.

Mã 4D hình học được mô tả như một mạng lưới bốn chiều, trong đó các qubit vật lý rải trên “bề mặt” hình xuyến (torus) bốn chiều. Thay vì phủ mã lên không gian ba chiều như các giải pháp truyền thống, mã 4D tận dụng biểu thức toán học “xoắn” hình học (geometric twist). Nhờ đó, cùng một lượng mã bao phủ được không gian hệ thống rộng hơn, tạo ra không gian biểu diễn sâu hơn cho trạng thái lượng tử của qubit logic. Kết quả là khả năng phát hiện và sửa lỗi được nâng cao, trong khi vẫn bảo toàn quá trình tính toán lượng tử.

Trên cơ sở lý thuyết, nhóm đã thực hiện hàng loạt thí nghiệm trên các mô hình máy tính lượng tử hiện có. Kết quả thử nghiệm, được công bố trên arXiv ngày 13.6 trong một bài báo tiền bản, cho thấy mã xoắn 4D hoạt động đúng như lý thuyết, giảm rõ rệt tỷ lệ lỗi mà không làm tăng đáng kể độ phức tạp phần cứng.

Bài báo gốc về nền tảng khoa học của mã hình học 4D đã được đăng lên arXiv ngày 18.6, tập trung phân tích cấu trúc tri thức và thuật toán sửa lỗi mới. Đến nay, cả hai công trình đều chưa qua đánh giá đồng cấp (peer review), nhưng đã vạch rõ hướng tiếp cận “dưới lên” (bottom-up) khả thi cho các hệ thống lượng tử trong tương lai.

Bên cạnh mã 4D, nhóm nghiên cứu còn giới thiệu quy trình thay thế qubit vật lý khi các nguyên tử được giữ bởi nhíp laser bị rơi rụng. Máy tính lượng tử dựa trên nguyên tử trung tính thường gặp tình trạng một vài nguyên tử bị mất trong quá trình tính toán, làm phá vỡ cấu trúc của liên kết lượng tử. Để khắc phục, Microsoft đề xuất sử dụng chùm laser chiếu thêm nguyên tử mới vào mảng tồn đọng, diễn ra giữa chu kỳ tính toán mà không gây gián đoạn. Đây là lần đầu tiên kỹ thuật “hot-swapping” (thay thế nóng) nguyên tử được trình diễn trên quy mô thí nghiệm.

Trước đó vào ngày 10.6, IBM cũng tuyên bố đã đạt được tiến bộ trong sửa lỗi lượng tử, hướng tới mục tiêu phát triển máy tính lượng tử hữu ích vào năm 2029. Phương pháp của IBM chủ yếu dựa trên chiến lược “trên xuống” (top-down), tận dụng phần cứng tùy biến tích hợp sẵn. Trong khi đó, mã hình học 4D của Microsoft lại đề xuất giải pháp linh hoạt hơn, có thể áp dụng cho nhiều nền tảng phần cứng và trường hợp sử dụng khác nhau.

Điểm chung của cả hai nỗ lực là tập trung giải quyết nút thắt cổ chai về lỗi trong máy tính lượng tử. Tuy vậy, mã 4D của Microsoft thể hiện lợi thế về chi phí tài nguyên qubit và khả năng mở rộng, hứa hẹn rút ngắn thời gian hiện thực hóa máy tính lượng tử chịu lỗi phổ quát.

Theo nhóm nghiên cứu của Microsoft, mã hình học 4D còn nhiều tiềm năng phát triển, như tối ưu hóa hơn nữa cấu trúc mạng qubit, và tích hợp với các công nghệ kiểm soát và đo lường mới. Hiện Microsoft đang đàm phán hợp tác với các đối tác trong ngành để thử nghiệm mã 4D trên quy mô lớn hơn và đa dạng nền tảng.

Trong dài hạn, nếu mã 4D được chứng thực qua đánh giá đồng cấp và thử nghiệm thực tế, đây có thể là “chìa khóa” để xây dựng máy tính lượng tử chịu lỗi với hàng chục nghìn đến hàng triệu qubit logic, mà không phụ thuộc quá nhiều vào qubit vật lý hỗ trợ. Điều này sẽ mở ra các ứng dụng như mô phỏng phân tử phức tạp, tối ưu hóa logistics, và học máy lượng tử ở cấp độ chưa từng có.

Như vậy, với phương pháp mã hóa hình học 4 chiều, Microsoft đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong hành trình chinh phục máy tính lượng tử chịu lỗi. Giảm lỗi gấp 1.000 lần không chỉ là con số ấn tượng, mà có thể là lời khẳng định rằng viễn cảnh máy tính lượng tử thực sự đang dần trở thành hiện thực.

Hoàng Vũ