Tuần trước, công ty máy tính lượng tử IQM (Phần Lan) công bố một loại mã sửa lỗi mới có tên directional tile codes, giảm tỷ lệ lỗi logic tới 1.000 lần so với surface code trên cùng quy mô phần cứng khoảng 30 qubit vật lý. Kết quả này được nêu trong nghiên cứu hợp tác giữa IQM với các đại học Freie Berlin, Edinburgh và Mainz. Nhưng tại sao cách tổ chức mã lại tạo ra khác biệt lớn đến vậy?

Code rate: bài toán nén thông tin lượng tử

Qubit lượng tử cực kỳ nhạy cảm với nhiễu từ môi trường. Để bảo vệ một qubit logic (đơn vị tính toán thực sự hữu ích), bạn cần nhiều qubit vật lý cùng "canh gác" và sửa lỗi. Tỷ lệ giữa qubit logic và qubit vật lý gọi là code rate: tỷ lệ càng cao, bạn gói được càng nhiều tính toán hữu ích vào cùng một lượng phần cứng.

Surface code, tiêu chuẩn vàng suốt hai thập kỷ qua, có code rate rất thấp. Hình dung thế này: nó giống hệ thống camera an ninh đặt ở mỗi ngã tư trong thành phố, mỗi camera chỉ quan sát vùng nhỏ xung quanh. Rất đáng tin cậy, nhưng cần số lượng camera khổng lồ. Cụ thể, mỗi qubit logic đòi hàng trăm đến hàng nghìn qubit vật lý. Đổi lại, surface code dễ triển khai vì mỗi qubit chỉ cần kết nối với bốn qubit láng giềng trên chip phẳng.

qLDPC: Ít qubit hơn, bảo vệ tốt hơn

Trong công nghệ truyền thông cổ điển, mã LDPC (Low-Density Parity-Check) đã cách mạng hóa Wi-Fi 6 và 5G nhờ khả năng sửa lỗi gần giới hạn lý thuyết với chi phí tính toán thấp. Ý tưởng cốt lõi là thay vì kiểm tra mọi bit với mọi bit khác, LDPC chỉ kiểm tra các nhóm bit nhỏ chồng lấn lên nhau, tạo thành mạng lưới giám sát phân tán thay vì dồn về một điểm.

Mã qLDPC (quantum LDPC) áp dụng nguyên lý tương tự cho qubit. Mỗi qubit vật lý tham gia vào ít phép kiểm tra hội chứng lỗi (syndrome) hơn, nhưng các phép kiểm tra này được sắp xếp đủ khéo để phát hiện lỗi trên diện rộng. Trở lại ví von về camera: thay vì đặt camera cố định ở mỗi ngã tư, bạn dùng ít camera hơn nhưng gắn lên drone bay theo lộ trình luân phiên, vẫn phủ được diện tích tương đương với ít tài nguyên hơn nhiều.

Bài toán kết nối: Tại sao qLDPC khó triển khai?

Trở ngại lớn nhất là hầu hết thiết kế qLDPC đòi hỏi kết nối tầm xa giữa các qubit. Qubit ở góc trái chip cần kết nối với qubit ở góc phải. Trên chip siêu dẫn thực tế, điều này gần như bất khả thi: tín hiệu suy hao nhanh, nhiễu xuyên kênh tăng vọt. Đây là lý do surface code, dù kém hiệu quả, vẫn thống trị suốt hai thập kỷ: nó chỉ cần kết nối láng giềng gần nhất.

Directional tile codes: Giải pháp của IQM

Đột phá của nhóm IQM nằm ở cách "xếp gạch" các phép kiểm tra theo từng hướng trên lưới hai chiều. Thay vì đòi kết nối xa, directional tile codes sử dụng mạch trích xuất syndrome động: thứ tự đo qubit thay đổi theo từng vòng, mô phỏng hiệu ứng kết nối xa mà không cần dây dẫn vật lý dài. Giống như đội tuần tra thay đổi lộ trình mỗi ca để phủ sóng toàn bộ thành phố chỉ với vài tổ.

Trên cùng khoảng 30 qubit vật lý mỗi qubit logic, tỷ lệ lỗi giảm tới 1.000 lần so với surface code. Quan trọng hơn, mã này tương thích với cổng iSWAP láng giềng gần trên vi xử lý Crystal của IQM, nghĩa là không cần thiết kế lại phần cứng hiện có. Nếu thử nghiệm trên chip thật xác nhận kết quả mô phỏng, qLDPC trên chip phẳng có thể rút ngắn đáng kể lộ trình hướng tới máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi, mục tiêu IQM đặt ra cho năm 2030.