Chỉ bằng một dòng code, anh sinh viên giải được thách thức kéo dài 2 thập kỷ nay của máy tính lượng tử

Hứa hẹn mang đến nhiều tiềm năng đột phá để thay đổi nhiều ngành khoa học của thế giới nhưng một trong các vấn đề lớn nhất tồn tại suốt hàng thập kỷ nay của máy tính lượng tử là sự ổn định của những hệ thống này. Nhưng điều này có thể sắp thay đổi mãi mãi nhờ vào công trình nghiên cứu của một sinh viên trẻ tại trường Đại học Sydney, Pablo Bonilla.

Thành phần chính trong các máy tính lượng tử là những qubit – các switch (công tắc) của máy tính lượng tử. Về bản chất, nó tương tự như các bóng bán dẫn trong các thiết bị tính toán hiện nay. Tuy nhiên, các qubit này đặc biệt rất nhạy với các nhiễu động của môi trường bên ngoài. Thậm chí, một thay đổi nhỏ về nhiệt độ, âm thanh, trọng lực hoặc từ trường bên ngoài cũng có thể gây lỗi cho các qubit này cũng như thuật toán chạy trên nó.

Để cải thiện mức độ ổn định của những máy tính lượng tử, các nhà khoa học đã tạo ra một thuật toán được gọi là Quantum Error Correction – thuật toán sửa lỗi lượng tử – nhằm xác định và sửa chữa lỗi trong các máy tính lượng tử.

Trong thuật toán này, thông tin lượng tử lưu trữ trên một qubit duy nhất cũng sẽ được phân phối trên các qubit hỗ trợ – nói cách khác, thông tin được mã hóa trong một bit lượng tử logic. Cách tiếp cận này đã được sử dụng từ khoảng 2 thập kỷ nay trên các máy tính lượng tử. Cho dù thuật toán này đảm bảo được tính toàn vẹn của thông tin, nó lại phải đánh đổi bằng việc tiêu tốn nhiều qubit cho lưu trữ thông tin. Nhiễu càng nhiều, càng cần nhiều qubit hơn để bảo toàn thông tin. Tùy vào bản chất phần cứng và loại thuật toán, có thể cần đến 1.000 qubit để có được một qubit logic duy nhất.

Pablo Bonilla, sinh viên năm hai Đại học Sydney

Một trong các bài tập về nhà cho Bonilla, sinh viên năm thứ hai Đại học Sydney, là tìm cách cải thiện mức độ hiệu quả của thuật toán này. Nhưng hóa ra vấn đề tồn tại dai dẳng trong máy tính lượng tử gần 2 thập kỷ nay có thể được giải quyết nhờ một thay đổi “đơn giản nhưng thiên tài” của Bonilla trong thuật toán sửa lỗi lượng tử. Sau khi được tinh chỉnh lại theo thay đổi của Bonilla, năng lực tự sửa lỗi của các máy tính lượng tử đã tăng gấp đôi.

Bonilla cho biết: “Bằng cách lật (flip) một nửa số switch lượng tử, hay qubit, trong thiết kế của tôi, chúng tôi nhận thấy tăng gấp đôi hiệu quả khả năng loại bỏ lỗi.“

Phát hiện của cậu sinh viên trẻ nhanh chóng thu hút sự chú ý của những nhà nghiên cứu hàng đầu về máy tính lượng tử. Trung tâm nghiên cứu công nghệ Máy tính lượng tử của người khổng lồ Amazon Web Services cũng như các trường Đại học Yale và Duke đều quan tâm đến phát hiện mới này.

Giáo sư Shruti Puri từ chương trình nghiên cứu Lượng tử của Đại học Yale cho biết: “Điều làm tôi sửng sốt hơn cả về dòng code mới này là sự tinh tế kỳ diệu của nó.”

Ông Ben Brown, người hướng dẫn của Bonilla và là đồng tác giả trong nghiên cứu của Bonilla cho biết, chính ông cũng sửng sốt với phát hiện của người học trò, khi không ai nhận ra nó trong suốt 2 thập kỷ qua. Nghiên cứu của Bonilla hiện được đăng tải trên tạp chí Nature Communications.

Nguyễn Hải