Một nhóm các nhà nghiên cứu của IBM kết hợp với UC Berkeley và Đại học Purdue đã thành công trong việc trích xuất tính toán lượng tử hữu ích từ một trong những máy tính NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum) ngày nay. Nhóm đã sử dụng một trong những Bộ xử lý lượng tử (QPU) mới nhất của IBM, Eagle, để thực hiện các phép tính được cho là sẽ thất bại do nhiễu qubit. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng cơ chế phản hồi thông minh giữa QPU Eagle 127 qubit của IBM và các siêu máy tính của UC Berkeley và Đại học Purdue, IBM đã chứng minh được rằng họ có thể thu được kết quả hữu ích từ một QPU ồn ào. Cánh cửa đến tiện ích lượng tử đang mở – và chúng ta đến sớm hơn nhiều so với dự kiến.
Các máy tính lượng tử thời NISQ của chúng tôi được kết nối với các siêu máy tính tiêu chuẩn của chúng tôi – những cỗ máy mạnh nhất mà nhân loại từng biết, có khả năng thực hiện hàng nghìn tỷ phép tính mỗi giây. Mạnh mẽ như chúng vốn có, một sự thật phổ quát là khi hai đối tượng bị trói vào nhau, chúng chỉ di chuyển nhanh nhất có thể trong phạm vi mà đối tượng chậm nhất cho phép. Và siêu máy tính đã sẵn sàng cho thí nghiệm này, sử dụng các kỹ thuật tiên tiến để theo kịp độ phức tạp của mô phỏng.
Khi quá trình mô phỏng của qubit trở nên quá phức tạp để siêu máy tính chỉ đơn giản là “cưỡng bức” kết quả, các nhà nghiên cứu tại UC Berkeley bắt đầu sử dụng thuật toán nén – trạng thái mạng tensor. Các trạng thái (ma trận) mạng tensor này về cơ bản là các khối dữ liệu, trong đó các số bao gồm các phép tính được biểu diễn trong không gian ba chiều (x, y, z) có khả năng xử lý các mối quan hệ và khối lượng thông tin phức tạp hơn so với giải pháp 2D thông thường hơn – nghĩ về một bảng Excel 2D đơn giản (x, y) và nhiều hàng khác mà bạn phải tìm kiếm trong cấu hình đó nếu bạn phải xem xét một mặt phẳng thông tin khác (z).
“Điểm mấu chốt của công việc là giờ đây chúng tôi có thể sử dụng tất cả 127 qubit của Eagle để chạy một mạch sâu và khá lớn — và các con số đưa ra chính xác,”
Kristan Temme
Điều này có nghĩa là đã có một số tiện ích có thể được trích xuất từ máy tính lượng tử NISQ – có những vấn đề mà chúng có thể tạo ra kết quả vượt quá tầm với – ít nhất là về thời gian và tiền bạc – đối với các siêu máy tính tiêu chuẩn hoặc nơi cần có các vòng để đạt được những kết quả đó sẽ làm cho nỗ lực lớn hơn lợi ích.
Hiện tại có sự qua lại giữa các giải pháp do máy tính lượng tử thời NISQ của chúng tôi cung cấp có vài trăm qubit (tốt nhất) và các siêu máy tính tiêu chuẩn của chúng tôi có hàng nghìn tỷ bóng bán dẫn. Khi số lượng qubit hữu ích, có sẵn tăng lên, các mạch có độ sâu hơn 60 được sử dụng trong bài báo sẽ được khám phá. Khi số lượng và chất lượng của qubit tăng lên, các siêu máy tính tiêu chuẩn cũng sẽ phải theo kịp, xử lý các con số và xác minh càng sâu hàng đợi kết quả của điện toán lượng tử càng tốt.
“Nó ngay lập tức chỉ ra sự cần thiết của các phương pháp cổ điển mới,” Anand nói. Và họ đã xem xét các phương pháp đó. “Bây giờ, chúng tôi đang hỏi liệu chúng tôi có thể sử dụng khái niệm giảm thiểu lỗi tương tự và áp dụng nó cho các mô phỏng mạng tensor cổ điển để xem liệu chúng tôi có thể nhận được kết quả cổ điển tốt hơn hay không.”
Về cơ bản, bạn càng có thể dự đoán chính xác tiếng ồn phát triển như thế nào trong hệ lượng tử của mình, thì bạn càng biết rõ tiếng ồn đó đầu độc các kết quả chính xác như thế nào. Cách bạn học cách dự đoán một điều gì đó chỉ đơn giản là thúc vào nó và quan sát điều gì xảy ra đủ số lần để bạn có thể xác định các đòn bẩy khiến nó hoạt động.
Một số đòn bẩy này liên quan đến cách thức và thời điểm bạn kích hoạt các qubit của mình (một số mạch sử dụng nhiều qubit hơn, một số khác yêu cầu các qubit đó được sắp xếp thành nhiều hoặc ít cổng lượng tử hơn, với các vướng víu phức tạp hơn giữa các qubit nhất định…) Các nhà nghiên cứu của IBM đã phải tìm hiểu chính xác mức độ và tiếng ồn phát sinh từ việc di chuyển từng núm này trong Quantum Eagle 127 qubit của nó – bởi vì nếu bạn biết cách tạo ra tiếng ồn, thì bạn sẽ bắt đầu kiểm soát nó. Nếu bạn hiểu nó xuất hiện như thế nào ngay từ đầu, bạn có thể giải thích cho nó, từ đó cho phép bạn thử ngăn chặn hoặc lợi dụng điều đó xảy ra.
Nhưng nếu bạn chỉ chạy các phép tính trên chiếc máy tính ồn ào của mình, thì làm sao bạn có thể biết những phép tính đó là chính xác? Đó là nơi các siêu máy tính tiêu chuẩn – và việc tìm kiếm một sự thật cơ bản – xuất hiện.
Nhóm IBM có quyền truy cập vào hai siêu máy tính – Trung tâm Điện toán Khoa học Nghiên cứu Năng lượng Quốc gia của Phòng thí nghiệm Quốc gia Berkeley (NERSC) và tại siêu máy tính Anvil do NSF tài trợ tại Đại học Purdue. Những siêu máy tính này sẽ tính toán các mô phỏng lượng tử tương tự mà IBM đã chạy trên QPU Eagle 127 qubit của họ – được phân chia khi cần thiết bên trong chúng và theo cách cho phép so sánh cả hai kết quả từ các siêu máy tính. Bây giờ, bạn đã có một sự thật cơ bản – giải pháp mà bạn biết là đúng, đã đạt được và được xác minh bởi các siêu máy tính tiêu chuẩn. Bây giờ đèn có màu xanh lục để so sánh kết quả nhiễu của bạn với kết quả chính xác.
“IBM đã hỏi nhóm của chúng tôi liệu chúng tôi có muốn tiếp tục dự án hay không, biết rằng nhóm của chúng tôi chuyên về các công cụ tính toán cần thiết cho loại thử nghiệm này,” nhà nghiên cứu tốt nghiệp Sajant Anand của UC Berkeley cho biết. “Ban đầu tôi nghĩ đó là một dự án thú vị, nhưng tôi không ngờ kết quả lại diễn ra như vậy.”
Sau đó, vấn đề “chỉ” là giải một câu đố “tìm điểm khác biệt”: một khi bạn nhận ra chính xác sự hiện diện của tiếng ồn đã làm sai lệch kết quả như thế nào, bạn có thể bù đắp cho sự hiện diện của nó và thu thập được “sự thật nền tảng” tương tự đã có trong câu đố. kết quả siêu máy tính tiêu chuẩn. IBM gọi kỹ thuật này là Zero Noise Extrapolation (ZNE).
Đó là một quá trình cộng sinh: nhóm IBM chịu trách nhiệm về bài báo này cũng đang tìm cách đưa các kỹ thuật giảm thiểu lỗi của mình – và tương đương với Phép ngoại suy không gây tiếng ồn – cho các siêu máy tính tiêu chuẩn. Giữa sự gia tăng sức mạnh thô từ những phát triển phần cứng gần đây nhất và tối ưu hóa thuật toán và kỹ thuật (chẳng hạn như việc sử dụng thuật toán nén thông minh), sức mạnh siêu máy tính thô sẽ tăng lên, cho phép chúng tôi xác minh hoạt động của điện toán lượng tử của chúng tôi chỉ một chút nữa trong kỷ nguyên hậu kỳ -Máy tính lượng tử NISQ và việc triển khai sửa lỗi lượng tử của chúng.
Đó là thời điểm mà sợi dây bị đứt, và lượng tử sẽ tương đối không cần phải xác minh kết quả của nó bằng các kỹ thuật cổ điển. Đó là điều đang làm chậm quá trình tính toán lượng tử (dĩ nhiên là ngoài việc không có tính năng sửa lỗi sẽ cho phép các qubit tự thực hiện các phép tính).
Trong một cuộc phỏng vấn với Tom’s Hardware cho bài báo này, Tiến sĩ Abhinav Kandala, quản lý của Quantum Capabilities and Demonstrations tại IBM Quantum, đã diễn đạt rất hay:
“… Mặc dù bạn có một phiên bản ồn ào của trạng thái đó, nhưng bạn có thể đo lường những đặc tính của trạng thái đó khi không có tiếng ồn.”
Tiến sĩ Abhinav Kandala
Ngoại trừ với lượng tử, khi đó bạn có thể tăng mức độ phức tạp của vấn đề vượt quá khả năng xử lý của siêu máy tính – và vì bạn đã lập mô hình chính xác mức độ ảnh hưởng của tiếng ồn đến hệ thống nên bạn vẫn có thể thực hiện các bước dọn dẹp kết quả nhiễu của mình… với một mức độ tin cậy nhất định. Bạn càng ở xa các kết quả “hoàn toàn trung thực” do các siêu máy tính tiêu chuẩn cung cấp, thì càng có nhiều khả năng bạn đưa ra các lỗi nghiêm trọng trong các phép tính mà không (và không thể) được tính đến trên mô hình tiếng ồn của bạn.
Nhưng mặc dù bạn có thể tin tưởng vào kết quả của mình, nhưng bạn thực sự đã cung cấp các khả năng xử lý lượng tử hữu ích và vượt xa những gì có thể đạt được với các máy Turing cổ điển, thế hệ hiện tại như siêu máy tính tại Berkeley. Nó cũng vượt xa những gì được cho là có thể có trong các máy tính thời đại NISQ (Noisy Intermediate Stage Quantum) hiện tại của chúng ta. Và thực tế là nhiều thuật toán được thiết kế cho các thiết bị lượng tử ngắn hạn sẽ có thể phù hợp với 127 qubit trong QPU Eagle của IBM, có thể cung cấp độ sâu mạch vượt quá 60 bước “giá trị” của cổng lượng tử.
Tiến sĩ Kandala sau đó thêm vào: “Những gì chúng tôi đang làm với việc giảm thiểu lỗi đó là chạy các mạch lượng tử có độ sâu ngắn và đo lường cái được gọi là giá trị kỳ vọng đo lường các thuộc tính của trạng thái, đây không phải là điều duy nhất mà mọi người muốn làm với máy tính lượng tử. Ý tôi là mở khóa toàn bộ tiềm năng một người cần sửa lỗi lượng tử và cảm giác phổ biến là đối với bất kỳ điều gì hữu ích được thực hiện, người ta chỉ có thể truy cập vào điều đó sau khi bạn có một máy tính lượng tử đã sửa lỗi
“Phần quan trọng là có thể điều khiển tiếng ồn vượt quá độ giãn của xung,” Tiến sĩ Kandala nói. “Khi điều đó bắt đầu hoạt động, chúng tôi có thể thực hiện các phép ngoại suy phức tạp hơn để có thể loại bỏ sự sai lệch do nhiễu theo cách mà chúng tôi không thể thực hiện trước đây.”
ZNE có khả năng trở thành một yếu tố chính của bất kỳ phương pháp điện toán lượng tử nào – giảm thiểu lỗi là một yêu cầu thiết yếu đối với các máy tính NISQ dễ bị lỗi mà chúng tôi hiện có và có thể sẽ được yêu cầu ngay cả khi chúng tôi bắt đầu sửa lỗi – một cách tiếp cận chắc chắn qubit được giao nhiệm vụ với các chức năng liên quan đến sửa lỗi trong tính toán của các qubit khác.
Công việc do IBM thực hiện ở đây đã có tác động đến lộ trình của công ty – ZNE có chất lượng hấp dẫn đó là tạo ra các qubit tốt hơn từ những qubit mà chúng ta đã có thể kiểm soát trong Bộ xử lý lượng tử (QPU). Gần như là chúng tôi đã tăng megahertz – hiệu suất cao hơn (ít tiếng ồn hơn) mà không cần bất kỳ logic bổ sung nào. Chúng tôi có thể chắc chắn rằng những bài học này đang được xem xét và thực hiện bất cứ khi nào có thể trên con đường hướng tới “+ triệu qubit”.
Cũng khó có thể bỏ qua cách công việc này cho thấy rằng thực sự không có cuộc đua giữa lượng tử và cổ điển: tương lai thực sự là Fusion, để chơi một chút với động cơ cũ của AMD. Fusion đó sẽ thấy các yếu tố điện toán cụ thể giải quyết các nhu cầu xử lý cụ thể. Mỗi vấn đề, dù phức tạp đến đâu, đều có công cụ của nó, từ cổ điển đến lượng tử; và sự khéo léo của con người đòi hỏi chúng ta phải vượt trội trong việc sử dụng tất cả những gì mình có.
Sợi dây tục ngữ giữa siêu máy tính tiêu chuẩn và máy tính lượng tử chỉ kéo dài cho đến nay – nhưng IBM đang tìm ra những cách ngày càng thông minh hơn để kéo dài chiều dài của nó. Nhờ nghiên cứu này, các máy tính lượng tử đã bắt đầu thấy được điều đó. Có lẽ Tiến sĩ Kandala sẽ thấy được điều mà ông hy vọng sớm hơn cả những gì ông mong đợi: sân chơi cho tiện ích lượng tử hiện đã mở cửa trước thời hạn. Hãy xem những gì con người có thể làm trong đó, phải không?
