Quantinuum báo cáo độ trung thực bộ nhớ logic đạt 99,9995% trên Helios

Quantinuum đã báo cáo một kết quả về sửa lỗi lượng tử, làm nổi bật hơn một yêu cầu cốt yếu của điện toán lượng tử hữu ích: duy trì nguyên vẹn thông tin lượng tử đủ lâu để có thể thực hiện điều gì đó có giá trị. Trên máy tính ion bẫy Helios, công ty đo được độ trung thực bộ nhớ logic đạt 99,9995% mỗi chu kỳ kiểm tra lỗi — tương đương khoảng năm lỗi logic trên mỗi triệu chu kỳ.

Được công bố vào ngày 19 tháng 10, kết quả này giảm sai số xuống còn một phần mười so với kỷ lục trước đó mà công ty từng báo cáo. Quantinuum cho biết thành tựu này củng cố cơ sở để phát triển Apollo, hệ thống chịu lỗi phổ dụng mà công ty dự kiến đưa vào hoạt động vào năm 2029. Tuy nhiên, thí nghiệm này là một chuẩn đo lường đáng kể về bộ nhớ, chứ không phải minh chứng cho một ứng dụng hữu ích hoàn chỉnh vận hành với độ chính xác đó.

Nghiên cứu đi kèm cũng nêu bật mối liên hệ ngày càng phát triển giữa AI và điện toán lượng tử: mạng nơ-ron có thể giúp diễn giải nhanh các phép đo lỗi, đủ để hỗ trợ việc sửa lỗi theo thời gian thực trong tương lai. Để đánh giá bước tiến này, cần hiểu rõ những gì đã được đo lường — và cách kiểm tra các bộ giải mã đó.

Kết quả 99,9995% đo lường điều gì

Các qubit vật lý dễ bị nhiễu loạn làm hỏng trạng thái lượng tử. Sửa lỗi phân tán thông tin trên nhiều qubit vật lý để tạo thành một qubit logic, trong khi các phép đo bổ sung phát hiện dấu hiệu lỗi mà không trực tiếp đọc thông tin được bảo vệ.

Phép thử then chốt là xác định liệu việc tăng cường bảo vệ có thực sự làm giảm tỷ lệ lỗi logic hay không. Khi ở dưới ngưỡng sửa lỗi, các mã lớn hơn sẽ hoạt động tốt hơn. Khi vượt ngưỡng, những thao tác bổ sung cần thiết để duy trì mã có thể gây ra quá nhiều nhiễu.

Trong Sửa lỗi lượng tử thấp hơn nhiều so với ngưỡng của mã màu, các nhà nghiên cứu của Quantinuum đã thử nghiệm mã màu ở khoảng cách mã ba, năm và bảy. Khoảng cách mã thể hiện mức độ bảo vệ. Tỷ lệ lỗi bộ nhớ logic đo được giảm từ khoảng 5,5 trên 10.000 mỗi chu kỳ ở khoảng cách mã ba xuống còn 3,8 trên 100.000 ở khoảng cách mã năm, và khoảng năm trên một triệu ở khoảng cách mã bảy.

Thí nghiệm bộ nhớ lớn nhất sử dụng 73 qubit vật lý, bao gồm các qubit phụ trợ dùng cho phép đo, để bảo vệ một qubit logic. Ước tính này dựa trên ba lần lỗi trong 29.000 lượt thử nghiệm, mỗi lượt gồm 20 vòng sửa lỗi. Số lỗi quan sát được ít khiến độ bất định thống kê trở nên đáng lưu ý: bài báo đưa ra ước tính lỗi trung tâm là năm trên một triệu, với khoảng một độ lệch chuẩn kéo dài xấp xỉ từ ba đến chín trên một triệu.

Đây là bằng chứng thuyết phục cho thấy khả năng bảo vệ ngày càng hiệu quả. Điều đó không có nghĩa là một triệu cổng lượng tử tùy ý, hay một triệu bước của thuật toán thương mại, đã được thực thi mà không xảy ra lỗi.

Vì sao Helios có thể thử nghiệm nhiều mã sửa lỗi khác nhau

Bản tường thuật kỹ thuật về thí nghiệm của Quantinuum nhấn mạnh những cải tiến được thực hiện trên chính phần cứng Helios đã dùng cho kết quả trước đó. Nền tảng này sử dụng các ion bị bẫy, với khả năng kết nối cho phép tương tác vượt ra ngoài cách bố trí cố định chỉ kết nối các láng giềng gần nhất. Tính linh hoạt đó giúp các nhà nghiên cứu thay đổi chiến lược sửa lỗi mà không cần thiết kế lại bộ xử lý xoay quanh một mã duy nhất.

Nghiên cứu mới cũng xử lý hiện tượng rò rỉ, trong đó một ion rời khỏi các trạng thái được dùng để biểu diễn qubit. Rò rỉ có thể tạo ra các lỗi tương quan, đặc biệt gây hại cho các phương pháp sửa lỗi. Các nhà nghiên cứu kết hợp bơm quang học để đưa những ion bị rò rỉ trở lại các trạng thái tính toán với những kỹ thuật mạch được thiết kế nhằm hạn chế sự lan truyền của lỗi.

Ở các khoảng cách mã được thử nghiệm, tỷ lệ lỗi bộ nhớ logic được cải thiện khoảng 12 lần mỗi khi khoảng cách tăng thêm hai đơn vị. Một thí nghiệm riêng về cổng Clifford hai qubit cho thấy mức suy giảm lỗi khoảng chín lần khi tăng khoảng cách mã từ ba lên năm. Đây là những chuẩn đo lường có liên quan nhưng khác biệt: không nên áp dụng độ trung thực bộ nhớ được nêu trong tiêu đề cho kết quả về cổng.

AI hỗ trợ giải mã tín hiệu lỗi

Sửa lỗi lượng tử phụ thuộc vào một bộ giải mã cổ điển để diễn giải các mẫu đo và xác định những lỗi có khả năng đã xảy ra. Chỉ cải thiện phần cứng vật lý là chưa đủ nếu khâu diễn giải đó không theo kịp bộ xử lý.

Nghiên cứu so sánh một số phương pháp, trong đó có bộ giải mã tìm kiếm A* mang tên Tesseract, bộ giải mã luồng Frontier, mạng nơ-ron tích chập ba chiều và mô hình Transformer sử dụng token theo từng vòng. Các mô hình nơ-ron được huấn luyện trên dữ liệu từ trình mô phỏng Helios, sau đó áp dụng cho dữ liệu thực nghiệm mà không tinh chỉnh thêm bằng dữ liệu từ phần cứng.

Đây là một vai trò cụ thể của AI: nhận diện các mẫu lỗi trong phép đo lượng tử. Các mô hình này không thay thế bộ xử lý lượng tử và cũng không chứng minh khả năng ứng dụng AI đa năng. Giá trị của chúng nằm ở việc cân bằng độ chính xác giải mã với tốc độ cần thiết để duy trì các chu kỳ sửa lỗi lặp đi lặp lại.

Các nhà nghiên cứu cho biết thời gian suy luận của mạng nơ-ron ở mức hàng trăm microgiây, phù hợp với hoạt động thời gian thực trên loại phần cứng này. Điều quan trọng là toàn bộ quá trình giải mã trong nghiên cứu đều được thực hiện ngoại tuyến. Các thử nghiệm truyền luồng dữ liệu cung cấp số đo theo từng vòng để đánh giá thời gian; chúng không chứng minh rằng bộ giải mã mạng nơ-ron có thể điều khiển một vòng phản hồi trực tiếp trong suốt thí nghiệm.

Sự khác biệt đó cho thấy vẫn còn một cột mốc kỹ thuật cần đạt được, nhưng không làm giảm ý nghĩa của kết quả: các mô hình được huấn luyện bằng mô phỏng đã diễn giải thành công lỗi từ một máy tính lượng tử vật lý.

Từ kỷ lục bộ nhớ đến điện toán hữu ích còn những gì?

Quantinuum mô tả kết quả này là kỷ lục thế giới và cho biết độ chính xác hiện đã nằm trong phạm vi mục tiêu của Apollo. Những tuyên bố đó cần được xem xét trong bối cảnh các yêu cầu rộng hơn của điện toán chịu lỗi. Một hệ thống thực tiễn phải bảo vệ được nhiều qubit logic, thực hiện được tập hợp cổng đủ rộng, duy trì hiệu chỉnh trong khi tính toán và đạt thông lượng đủ cao để hoàn thành các tác vụ có giá trị.

Ngay trong nghiên cứu này, những giới hạn về tài nguyên vẫn hiện rõ. Các nhà nghiên cứu không tiến hành thí nghiệm cổng hai qubit khoảng cách bảy vì thí nghiệm này đòi hỏi số qubit vượt quá khả năng hiện có của Helios. Blog của công ty cũng xác định việc chuẩn bị trạng thái ma thuật có khả năng mở rộng và ở dưới ngưỡng—cần thiết cho một hướng quan trọng để đạt được tính toán chịu lỗi phổ dụng—là công việc vẫn chưa được chứng minh.

Lộ trình của Quantinuum bao gồm hệ thống Sol vào năm 2027 và Apollo vào năm 2029. Đây vẫn là các mục tiêu phát triển. Bằng chứng hiện tại có phạm vi hẹp hơn nhưng vẫn có ý nghĩa: trên phần cứng hiện có, việc thay đổi mã, kiểm soát rò rỉ và cải thiện giải mã đã giúp giảm đáng kể lỗi bộ nhớ logic.

Đối với ngành công nghiệp lượng tử, kết quả này chuyển sự chú ý sang một câu hỏi khó hơn nhiều so với việc liệu bộ xử lý có thể chứng minh khả năng hiệu chỉnh lỗi hay không: liệu khả năng bảo vệ đó có thể mở rộng trên toàn bộ hệ thống cần thiết cho điện toán hữu ích hay không. Với các nhà nghiên cứu AI, đây là một ví dụ cụ thể cho thấy học máy có thể đóng góp vào nỗ lực đó ở cấp độ hạ tầng điều khiển.