Origin Wukong thử nghiệm định tuyến lượng tử kết hợp cho QRAM kiểu bucket-brigade

QRAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên lượng tử) thường được xem là một thành phần có thể giúp thuật toán lượng tử truy cập dữ liệu mà vẫn duy trì tính kết hợp lượng tử. Trở ngại lớn nằm ở việc xây dựng mạng định tuyến có thể đưa một trạng thái lượng tử đi theo địa chỉ được chọn mà không làm mất thông tin lượng tử đó.

Các nhà nghiên cứu từ Origin Quantum, Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) cùng các đối tác đã trình diễn nguyên lý này trên bộ xử lý siêu dẫn Origin Wukong tại Hợp Phì: thông tin lượng tử được định tuyến kết hợp qua một mạng bucket-brigade thực, điều khiển bằng địa chỉ lượng tử.19

Họ đã làm được gì?

Kết quả là một bộ định tuyến lượng tử có tính kết hợp, xác định và đảo ngược được cho mô hình QRAM bucket-brigade. Thay vì chỉ mô phỏng quyết định rẽ nhánh bằng tín hiệu điều khiển cổ điển, thí nghiệm dùng các phần tử định tuyến vật lý để hướng trạng thái lượng tử theo một địa chỉ lượng tử.1

Nhóm đã tích hợp ba bộ định tuyến được hiệu chuẩn độc lập thành một cây nhị phân hai tầng: bộ định tuyến ở tầng đầu đưa trạng thái đến một trong hai bộ định tuyến ở tầng sau. Đây là điểm quan trọng, bởi cấu hình hai tầng là quy mô nhỏ nhất đã thể hiện được việc phân nhánh qua cấu trúc định tuyến nối tầng.19

Các chỉ số đo được: 98% không đồng nghĩa độ trung thực 98%

Nghiên cứu phân biệt hai thước đo:

• Hiệu suất truyền: thông tin có đi từ đầu vào đến đầu ra hay không.
• Độ trung thực truy cập ngẫu nhiên: trạng thái lượng tử mục tiêu được khôi phục chính xác đến mức nào.

Cấu hình	Hiệu suất truyền	Độ trung thực truy cập ngẫu nhiên
Một bộ định tuyến	Tối đa 98%	95,74% trong một phép thử truy cập ngẫu nhiên; một số báo cáo nêu trung bình khoảng 94,8%17
Mạng nối tầng hai lớp	Khoảng 93%	Trung bình 82,4%17

Chênh lệch giữa hai cấu hình là điều đáng chú ý. Mạng hai tầng vẫn truyền thông tin với hiệu suất cao, nhưng độ trung thực giảm khi trạng thái phải đi qua nhiều thao tác định tuyến có điều khiển. Đây là biểu hiện trực tiếp của việc lỗi tích lũy theo chiều sâu mạch.1

Bộ định tuyến siêu dẫn hoạt động ra sao?

Trong mạch siêu dẫn thông thường, transmon thường được dùng như một qubit hai mức. Thiết kế này khai thác thêm một mức năng lượng phụ, biến phần tử định tuyến thành qutrit — hệ ba mức. Các xung vi sóng được điều khiển chính xác tạo ra tương tác có điều kiện để đưa trạng thái đầu vào đi theo một trong hai nhánh.1

Nhóm nghiên cứu sử dụng cách tiếp cận “cổng tổng hợp theo chuyển tiếp”, nhằm tránh phải phân rã thao tác định tuyến thành một chuỗi dài các cổng một qubit và hai qubit chuẩn. Mạch càng sâu thì sai số điều khiển càng tích lũy, còn trạng thái lượng tử càng có nhiều thời gian bị suy giảm kết hợp (decoherence).1

Dùng trạng thái qutrit không kề nhau để lọc lỗi

Thông tin địa chỉ được mã hóa vào hai trạng thái qutrit không kề nhau là |0⟩ và |2⟩. Trạng thái trung gian |1⟩ không được dùng để mã hóa địa chỉ, nên có thể đóng vai trò cờ báo cho một số lỗi rò rỉ hoặc lỗi điều khiển. Các lượt chạy xuất hiện cờ lỗi này có thể bị loại bằng hậu tuyển chọn (post-selection).1

Cách làm này là một biện pháp giảm nhẹ lỗi hữu ích trong giai đoạn phần cứng còn sớm: nó cải thiện chất lượng của các kết quả được chấp nhận mà không cần thêm một lượng lớn qubit dành cho sửa lỗi. Tuy nhiên, đây không phải sửa lỗi xác định. Việc bỏ các lượt chạy bị gắn cờ làm giảm tỷ lệ kết quả có thể sử dụng; vì vậy hậu tuyển chọn không thể thay thế sửa lỗi lượng tử chịu lỗi khi cần mở rộng quy mô.1

Vì sao mở rộng quy mô vẫn là bài toán chính?

Từ hai tầng lên bốn hoặc tám tầng không đơn giản là sao chép mạch đã trình diễn. Kiến trúc bucket-brigade là một cây nhị phân: ở độ sâu d, nó cần xấp xỉ 2^d điểm cuối bộ nhớ và 2^d − 1 nút định tuyến. Đề xuất bucket-brigade ban đầu sử dụng qutrit tại các nút của cây này.

Do đó, một cây lớn hơn không chỉ cần thêm thiết bị. Nó còn đòi hỏi hiệu chuẩn đáng tin cậy cho rất nhiều bộ định tuyến, kết nối phù hợp trên chip, xung vi sóng đồng bộ chặt chẽ, kiểm soát nhiễu xuyên kênh và rò rỉ, cùng khả năng duy trì kết hợp trên các đường đi dài hơn. Mỗi tầng bổ sung cũng làm tăng tác động của các thao tác định tuyến chưa hoàn hảo — xu hướng đã lộ rõ qua khoảng cách độ trung thực giữa bộ định tuyến đơn và mạng hai tầng.1

Cũng có một đánh đổi ở cấp kiến trúc. QRAM bucket-brigade thường gắn với thời gian truy vấn logarit, nhưng vẫn cần không gian phần cứng O(N) cho N ô nhớ. Vì vậy, QRAM rất lớn vẫn sẽ ngốn tài nguyên phần cứng đáng kể.

Một cột mốc định tuyến, chưa phải QRAM thương mại

Thử nghiệm Origin Wukong nên được hiểu là màn trình diễn ở cấp hệ thống về chuyển động dữ liệu lượng tử có tính kết hợp, đảo ngược được và được điều khiển bằng địa chỉ, trên phần cứng siêu dẫn. Việc ghép các bộ định tuyến độc lập thành một mạng phân nhánh thực là yêu cầu nền tảng của QRAM bucket-brigade.19

Kết quả này không chứng minh rằng một QRAM quy mô lớn, thực dụng đã sẵn sàng triển khai thương mại. Để đi đến đó, lĩnh vực này còn cần nhiều phần cứng hơn rất nhiều, sai số tích lũy thấp hơn đáng kể, điều khiển và đọc đo có thể mở rộng, cũng như khả năng chịu lỗi. Hiện tại, đây là một bước tiến thực nghiệm đáng kể cho định tuyến bộ nhớ lượng tử — đồng thời cho thấy mức độ khó của bài toán kỹ thuật phía trước.1