Khi nói về máy tính lượng tử, khái niệm thường được nhắc đến đầu tiên là qubit. Đây là đơn vị thông tin tương ứng với bit trong máy tính truyền thống, nhưng không hoạt động theo cùng một cách. Một bit thông thường được biểu diễn bằng một trong hai giá trị 0 hoặc 1, còn qubit có thể được chuẩn bị trong một trạng thái kết hợp của cả hai khả năng trước khi bị đo. Đặc điểm này mở ra cách xử lý thông tin mới, nhưng đồng thời cũng khiến qubit trở nên đặc biệt nhạy cảm với môi trường.
Qubit không phải là một vật thể duy nhất hay một linh kiện có hình dạng cố định. Nó có thể được tạo ra từ nhiều hệ vật lý khác nhau, chẳng hạn mạch siêu dẫn, ion bị bẫy, nguyên tử trung hòa, photon hoặc những khuyết tật đặc biệt trong vật liệu rắn. Dù công nghệ khác nhau, các hệ này đều phải cung cấp hai trạng thái lượng tử có thể phân biệt, có thể điều khiển và có thể đo lường. Từ nền tảng đó, các nhà nghiên cứu mới xây dựng được những phép toán lượng tử.
Qubit khác bit ở điểm nào?
Bit truyền thống có thể hình dung như một công tắc đang ở vị trí tắt hoặc bật. Trong điều kiện lý tưởng, giá trị của nó là 0 hoặc 1. Qubit cũng có hai trạng thái cơ sở, thường được ký hiệu là |0> và |1>, nhưng trước khi đo, trạng thái của nó có thể là sự chồng chập của hai trạng thái này. Nói một cách khái quát, trạng thái qubit được mô tả bởi hai biên độ xác suất. Khi thực hiện phép đo, hệ thống chỉ cho ra một kết quả cụ thể là 0 hoặc 1, với xác suất phụ thuộc vào trạng thái đã được chuẩn bị.
Điều này không có nghĩa qubit đơn giản là một bit có nhiều giá trị cùng lúc theo cách thông thường. Thông tin lượng tử nằm trong biên độ và mối quan hệ pha giữa các thành phần của trạng thái. Những đặc điểm đó có thể bị thay đổi bởi các phép tác động được kiểm soát chính xác, nhưng cũng có thể bị phá hỏng bởi nhiễu từ bên ngoài. Vì vậy, lợi thế của máy tính lượng tử không chỉ đến từ việc qubit có trạng thái chồng chập, mà còn từ khả năng kết hợp chồng chập, giao thoa và vướng víu trong một thuật toán phù hợp.
Tạo ra hai trạng thái lượng tử có thể sử dụng
Bước đầu tiên trong việc xây dựng qubit là xác định một hệ vật lý có hai trạng thái lượng tử đóng vai trò tương ứng với 0 và 1. Với mạch siêu dẫn, các trạng thái này được tạo ra trong một mạch điện đặc biệt vận hành ở nhiệt độ rất thấp. Với ion bị bẫy, thông tin có thể được mã hóa vào các mức năng lượng của ion. Trong hệ photon, các đặc tính như phân cực hoặc đường đi có thể được sử dụng để biểu diễn trạng thái.
Hai trạng thái cơ sở phải đủ ổn định để lưu giữ thông tin trong khoảng thời gian cần thiết, nhưng cũng phải có thể chuyển đổi bằng tín hiệu điều khiển. Đây là một yêu cầu khó cân bằng. Nếu qubit quá dễ bị tác động, nó sẽ nhanh chóng mất thông tin do môi trường. Nếu quá khó tác động, các cổng lượng tử sẽ không thể thực hiện nhanh và chính xác. Một nền tảng phần cứng tốt vì thế phải đồng thời đạt được thời gian kết hợp đủ dài, khả năng điều khiển linh hoạt và độ chính xác cao khi đo.
Trong thực tế, qubit thường không tồn tại hoàn toàn tách biệt với thiết bị xung quanh. Mạch điều khiển, dây dẫn, laser, trường điện từ hoặc các bộ phận quang học đều có thể tương tác với hệ lượng tử. Các tương tác này cần được thiết kế sao cho tác động có chủ đích mạnh hơn nhiễu không mong muốn. Chỉ một rung động cơ học, dao động nhiệt hoặc biến thiên điện từ nhỏ cũng có thể làm sai lệch phép tính nếu không được giảm thiểu.
Điều khiển qubit bằng các cổng lượng tử
Sau khi tạo ra qubit, hệ thống cần thay đổi trạng thái của nó theo chương trình. Trong máy tính truyền thống, bộ xử lý sử dụng các cổng logic để biến đổi bit. Máy tính lượng tử cũng có các cổng tương tự về vai trò, nhưng chúng phải tuân theo quy tắc của cơ học lượng tử. Một số cổng làm thay đổi xác suất quan sát các trạng thái cơ sở, trong khi những cổng khác tạo ra sự tương tác giữa hai hoặc nhiều qubit.
Các phép điều khiển thường được thực hiện bằng xung điện, xung vi sóng, tia laser hoặc những tín hiệu vật lý khác, tùy nền tảng qubit. Hình dạng, thời lượng và cường độ của xung phải được hiệu chỉnh cẩn thận. Xung quá yếu có thể không đưa qubit đến trạng thái mong muốn; xung quá mạnh hoặc kéo dài sai thời điểm có thể tạo ra chuyển đổi ngoài dự kiến. Khi số lượng qubit tăng, bài toán điều khiển trở nên phức tạp hơn vì tín hiệu dành cho một qubit có thể vô tình ảnh hưởng đến qubit bên cạnh.
Một phép tính lượng tử hoàn chỉnh thường gồm nhiều lớp cổng liên tiếp. Mỗi lớp bổ sung thêm cơ hội để lỗi xuất hiện. Vì thế, khả năng thực hiện một cổng đơn lẻ với độ chính xác cao chưa đủ để chứng minh một hệ thống có thể chạy thuật toán lớn. Các nhà phát triển còn phải đánh giá độ ổn định của qubit, mức nhiễu khi kết nối nhiều qubit và khả năng duy trì chất lượng phép tính qua nhiều bước.
Vì sao qubit dễ mất trạng thái?
Hiện tượng qubit bị mất những đặc tính lượng tử do tương tác với môi trường thường được gọi là suy giảm kết hợp. Một qubit có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt, bức xạ, dao động vật liệu, trường điện từ hoặc sai số trong thiết bị điều khiển. Khi thông tin về trạng thái lượng tử lan ra môi trường, hệ thống khó giữ được sự kết hợp cần thiết cho phép tính.
Đây là lý do nhiều máy tính lượng tử phải hoạt động trong điều kiện khắt khe. Các mạch siêu dẫn thường được đặt trong hệ thống làm lạnh sâu để giảm nhiễu nhiệt. Những nền tảng dùng ion hoặc nguyên tử phải kiểm soát môi trường chân không và ánh sáng với độ chính xác cao. Hệ thống photon cần các nguồn sáng, bộ tách và cảm biến được căn chỉnh ổn định. Mỗi phương pháp có ưu điểm riêng, nhưng không phương pháp nào loại bỏ hoàn toàn vấn đề nhiễu.
Cần phân biệt suy giảm kết hợp với lỗi điều khiển. Một qubit có thể mất trạng thái do môi trường, nhưng cũng có thể bị tác động sai vì xung điều khiển không chính xác. Ngoài ra, phép đo không hoàn hảo và sự tương tác không mong muốn giữa các qubit cũng tạo ra lỗi. Đánh giá một nền tảng lượng tử vì vậy đòi hỏi xem xét nhiều loại chỉ số thay vì chỉ đếm số qubit được lắp đặt.
Phép đo biến trạng thái lượng tử thành kết quả cổ điển
Máy tính truyền thống có thể đọc bit mà không nhất thiết làm thay đổi giá trị của nó. Với qubit, phép đo có vai trò khác. Khi đo, trạng thái chồng chập được chuyển thành một kết quả quan sát được, thường là 0 hoặc 1 theo cơ sở đo đã chọn. Sau phép đo, thông tin về trạng thái trước đó không còn được giữ nguyên theo cách ban đầu.
Để thu được kết quả, mỗi nền tảng sử dụng một cơ chế cảm biến riêng. Một hệ thống có thể phát hiện sự thay đổi trong tín hiệu điện, một hệ thống khác quan sát ánh sáng phát ra từ ion hoặc ghi nhận đường đi của photon. Thiết bị đo phải đủ nhạy để phân biệt các trạng thái nhưng không được đưa quá nhiều nhiễu vào hệ thống trước thời điểm cần thiết.
Một lần chạy mạch lượng tử chỉ cho một chuỗi kết quả cụ thể. Do đó, người dùng thường phải lặp lại cùng một mạch nhiều lần rồi tổng hợp tần suất các kết quả. Phân bố kết quả giúp ước lượng xác suất mà thuật toán tạo ra. Đây là điểm khác quan trọng so với nhiều phép tính cổ điển, trong đó cùng một đầu vào và chương trình thường cho một kết quả xác định, nếu không có lỗi phần cứng hoặc lỗi phần mềm.
Sửa lỗi lượng tử không giống sao lưu dữ liệu
Qubit dễ lỗi đến mức một máy tính lượng tử thực tế không thể chỉ dựa vào qubit vật lý đơn lẻ. Hướng tiếp cận phổ biến là dùng nhiều qubit vật lý để mã hóa một qubit logic, sau đó kiểm tra những dấu hiệu cho thấy lỗi đã xảy ra mà không đo trực tiếp toàn bộ thông tin cần bảo vệ. Các phép kiểm tra này có thể giúp phát hiện và từng bước sửa một số lỗi.
Thách thức nằm ở chỗ không thể sao chép một trạng thái lượng tử tùy ý theo cách sao chép tệp tin trên máy tính. Hệ thống phải sử dụng những mã sửa lỗi và phép đo phụ trợ được thiết kế riêng cho thông tin lượng tử. Số qubit vật lý cần thiết cho một qubit logic có thể lớn, phụ thuộc vào chất lượng phần cứng, loại mã và mức độ chính xác mà ứng dụng yêu cầu. Vì vậy, việc tăng số qubit chưa chắc đồng nghĩa với việc tăng ngay năng lực tính toán hữu ích.
Một hệ thống có triển vọng không chỉ cần nhiều qubit, mà còn phải cho phép các qubit đó hoạt động đủ lâu, kết nối theo cách phù hợp, thực hiện cổng với sai số thấp và hỗ trợ quy trình sửa lỗi. Đây là lý do ngành máy tính lượng tử vẫn tập trung mạnh vào cải thiện vật liệu, thiết kế thiết bị, kỹ thuật điều khiển và phần mềm đồng thời.
Điều gì quyết định khả năng ứng dụng?
Đối với người dùng cuối, câu hỏi quan trọng không phải là một máy có bao nhiêu qubit trên thông số kỹ thuật, mà là máy có thể giải quyết bài toán nào với kết quả đáng tin cậy. Một thuật toán lượng tử cần tận dụng cấu trúc của bài toán, phù hợp với cách các qubit được kết nối và chịu được giới hạn của phần cứng. Nếu mạch quá dài so với thời gian duy trì trạng thái, lợi ích lý thuyết có thể biến mất trước khi kết quả được đo.
Trong giai đoạn hiện nay, máy tính lượng tử vẫn được nghiên cứu cho những nhóm bài toán chuyên biệt, chẳng hạn mô phỏng hệ lượng tử, tối ưu hóa hoặc xử lý các cấu trúc toán học nhất định. Không phải bài toán nào cũng phù hợp, và máy tính lượng tử không được thiết kế để thay thế máy tính thông thường trong các tác vụ hằng ngày. Nhiều hệ thống thực tế có thể cần kiến trúc kết hợp, trong đó máy tính cổ điển chuẩn bị dữ liệu, điều khiển quy trình, xử lý một phần công việc và phân tích kết quả từ bộ xử lý lượng tử.
Hiểu vòng đời của một qubit giúp nhìn công nghệ này thực tế hơn. Qubit phải được tạo ra từ một hệ vật lý phù hợp, được cô lập nhưng vẫn có thể điều khiển, trải qua các cổng lượng tử với độ chính xác cao, rồi được đo bằng thiết bị nhạy. Mỗi khâu đều có giới hạn riêng và đều ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng.
Triển vọng của máy tính lượng tử vì thế không chỉ phụ thuộc vào những ý tưởng thuật toán hấp dẫn. Nó còn phụ thuộc vào khả năng biến các trạng thái lượng tử mong manh thành một nền tảng tính toán có thể mở rộng, kiểm tra và sửa lỗi. Khi những yêu cầu đó được đáp ứng tốt hơn, qubit mới có cơ hội chuyển từ đối tượng nghiên cứu thành thành phần của các hệ thống giải quyết những bài toán mà máy tính truyền thống gặp nhiều khó khăn.
