Tìm hiểu đột phá sửa lỗi lượng tử của Google
(quantum-machines.co)- Qubit, đơn vị cơ bản của máy tính lượng tử, rất nhạy cảm nên có thể phát sinh lỗi ngay cả với những nhiễu bên ngoài rất nhỏ
- Sửa lỗi lượng tử (QEC) kết hợp nhiều qubit vật lý nhạy cảm để tạo ra qubit logic ổn định hơn và sửa lỗi
- Mục tiêu cốt lõi của QEC là khi tỷ lệ lỗi của qubit vật lý thấp hơn ngưỡng tới hạn, việc bổ sung thêm nhiều qubit sẽ giúp lỗi giảm đi
Thành tựu chính của Google: đạt tỷ lệ lỗi dưới ngưỡng tới hạn
- Google đã thành công trong việc giảm lỗi theo cấp số mũ bằng cách sử dụng surface codes, một dạng QEC cụ thể
- Bằng cách tăng code distance từ 5 lên 7 qubit, tỷ lệ lỗi logic đã giảm 2.14 lần
- Kết quả thí nghiệm cho thấy qubit logic tồn tại lâu gấp đôi qubit vật lý
- Đây là trường hợp đầu tiên chứng minh qubit logic có hiệu năng vượt trội hơn qubit vật lý, đặt nền tảng quan trọng cho máy tính lượng tử có khả năng mở rộng
Đột phá của Google từ góc nhìn kỹ thuật điều khiển
1. Đồng bộ hóa theo thời gian thực
- Mọi chu kỳ sửa lỗi đều phải hoàn tất trong 1.1µs, đòi hỏi sự đồng bộ hoàn hảo giữa các qubit
- Chỉ một sai lệch thời gian tín hiệu rất nhỏ cũng có thể gây tích lũy lỗi và làm phép tính thất bại
2. Giải mã theo thời gian thực
- Giải mã là quá trình phân tích dữ liệu đo để xác định vị trí và loại lỗi
- Google đã xử lý hơn 1 triệu chu kỳ sửa lỗi với độ trễ 63µs
- Nếu bộ giải mã chậm, lỗi sẽ tích tụ, vì vậy giải mã theo thời gian thực là bắt buộc
3. Vận hành cổng có độ trung thực cao
- Google đạt tỷ lệ lỗi cổng qubit đơn dưới 0.1% và tỷ lệ lỗi cổng CZ hai qubit 0.3%, qua đó bảo đảm độ ổn định của qubit logic
- Lỗi cổng có thể lan truyền ra toàn hệ thống nên độ chính xác là yếu tố rất quan trọng
Tầm quan trọng của giải mã theo thời gian thực
- Nghiên cứu của Google cho thấy độ trễ (latency) và thông lượng (throughput) của bộ giải mã quan trọng đến mức nào đối với hiệu năng QEC
- Việc giải mã được thực hiện nhanh và chính xác trên phần cứng như FPGA, trong khi GPU cung cấp năng lực tính toán cao hơn
- Nền tảng DGX Quantum ra đời từ sự hợp tác giữa NVIDIA và Quantum Machines hỗ trợ tác vụ QEC với độ trễ truyền dữ liệu khứ hồi dưới 4µs
Thách thức và triển vọng phía trước
Hàm ý từ Google
- Google đã mở ra con đường tới điện toán lượng tử chịu lỗi (fault tolerance) bằng cách cho thấy qubit logic có thể vượt trội hơn qubit vật lý
- Việc chứng minh tỷ lệ lỗi logic giảm theo cấp số mũ cho thấy tiềm năng thực hiện các phép tính lượng tử phức tạp
Các hướng nghiên cứu tiếp theo
- Cải thiện tốc độ bộ giải mã và hiệu chuẩn tự động
- Phát triển các chiến lược giảm thiểu lỗi nhanh
- Thiết kế hệ thống điều khiển tích hợp giữa tác vụ lượng tử và tác vụ cổ điển
- Cần hoàn thiện vòng phản hồi theo thời gian thực để sửa lỗi trước khi chúng tích tụ
2 bình luận
AlphaQubit - Nhận diện lỗi của máy tính lượng tử bằng AI
Ý kiến trên Hacker News
Tôi nghi ngờ đây có thật sự là một lời giải thích hay không. Ngay phần mở đầu đã thấy vướng: họ nói rằng trong máy tính cổ điển, bộ nhớ chống lỗi sẽ sao chép bit rồi sửa bằng cách lấy theo đa số, nhưng trên thực tế người ta dùng sửa lỗi như ECC, chứ không phải sao chép bit và biểu quyết đa số
Có thể đạt hiệu quả tương tự với ít bit bổ sung hơn nhiều, nên việc sao chép bit là cực kỳ lãng phí. Có lẽ họ đã nhầm với phía mạch logic, nơi không có chiến lược hiệu quả hơn
Trong sửa lỗi lượng tử, do định lý không thể sao chép, không thể dùng trực tiếp tính dư thừa đó; thay vào đó người ta dùng nhiều qubit hơn để nhúng một không gian con qubit vào bên trong một không gian lớn hơn. Khi xảy ra lỗi có thể sửa được, không gian con đã nhúng này sẽ dịch sang một “vị trí” khác trong không gian lớn, và sau khi phát hiện điều đó, ta có thể đưa nó trở lại mà không động vào trạng thái bên trong không gian con, nhờ vậy thông tin lượng tử được bảo toàn
Việc một tín hiệu được diễn giải là 0 hay 1 phụ thuộc vào việc đa số electron đang chuyển động theo hướng nào. Càng hạ công suất thì số electron trên mỗi tín hiệu càng giảm và lỗi càng tăng. Theo nghĩa đó, trong các thiết bị như máy tính cổ điển hay cáp quang cũng có thể xem là tồn tại mã lặp ở cấp độ nền phần cứng
Bit không được lưu trong một nguyên tử hay electron đơn lẻ. Một ô lưu trữ một bit có thể được xem là tập hợp các ô nhỏ hơn lưu lặp cùng một giá trị và nối song song với nhau; khi đọc, người ta đọc tổng điện tích trong ô nhớ, và một dạng biểu quyết đa số tương tự tín hiệu analog tự động diễn ra
Tùy mức độ trừu tượng khi nói về máy tính, đặc biệt khi đối chiếu máy tính lượng tử với máy tính cổ điển, “bộ nhớ” có thể không chỉ là RAM mà là mọi thứ giữ trạng thái, còn “máy tính cổ điển” cũng có thể bao gồm cả mạch logic đơn giản chứ không chỉ desktop. Về bản chất, máy tính để bàn cũng là một mạch logic khổng lồ
Cũng có RAID-1, và ở tầng cao hơn còn có sao lưu. Vì vậy có thể nói trong máy tính cổ điển thật sự có khá nhiều ví dụ dùng sao chép để tăng khả năng chống lỗi
Thật đáng kinh ngạc khi ai đó lại làm một trang web mà khi chỉnh zoom trình duyệt thì mọi thứ đều phóng to trừ phần văn bản nội dung
Tôi chưa từng thấy cách này. Có lẽ đây gần như là cách duy nhất để lách zoom của trình duyệt
Tham khảo thêm, bài báo được nhắc ở đây được công bố vào ngày 27 tháng 8 năm 2024
https://arxiv.org/pdf/2408.13687
Tôi vẫn hy vọng về hướng đi của điện toán lượng tử, nhưng tiêu chuẩn cho một “bước đột phá” giờ đã khác. Cho đến khi máy tính lượng tử có thể phân tích thừa số của tích hai số nguyên tố lớn hơn vài bit, tôi vẫn sẽ xem đây cùng lắm là công việc đang diễn ra
Sự ì ạch ban đầu là vì chi phí sửa lỗi dồn rất mạnh ở giai đoạn đầu. Tùy mối quan tâm, việc chỉ số này kém nhạy trong giai đoạn đầu có thể là tốt vì bớt gây xao nhãng, hoặc là xấu vì không phản ánh đúng tiến bộ thực tế. Ví dụ nếu tốc độ cải thiện thật sự không phải gấp 2 mỗi năm mà là gấp 10, thì có thể phải mất tới 3 năm mới nhận ra rằng RSA2048 sẽ bị phá sau 2 năm chứ không phải 12 năm
Tôi không đủ hiểu biết để lập luận chi tiết, nhưng mỗi lần đọc những bài viết mặc định rằng “dĩ nhiên khó, nhưng cuối cùng rồi cũng đạt được”, tôi lại thấy lo như vậy. Tôi đồng ý rằng về mặt lý thuyết, các thuật toán lượng tử có thể giải những bài toán thực tế có giá trị, nhưng để đi đến giai đoạn “trở thành một phương án thay thế khả thi về mặt thương mại và giải bài toán thực tế” thì dường như vẫn còn rất nhiều ẩn số chưa biết
Cũng có vẻ vẫn có khả năng người ta sẽ phát hiện ra những giới hạn cơ bản khiến việc kỹ thuật hóa một lời giải ở quy mô đủ tin cậy và hiệu quả chi phí trở nên bất khả thi. Tôi muốn nghe phản biện rằng giờ đây có thể khá tự tin nói phần còn lại chủ yếu chỉ là “bài toán kỹ thuật cực khó”
Tôi không rõ từng bước tiến trong điện toán lượng tử sẽ dẫn tới điều gì, nhưng tôi biết rằng đến một lúc nào đó mình sẽ phải thay đổi mọi khóa bảo mật đã tạo và các thuật toán mã hóa của mọi phần mềm mình dùng, nên rõ ràng là đang đối mặt với rủi ro điện toán lượng tử
Thành tựu lần này đã đưa chúng ta tiến gần tới thảm họa mật mã lượng tử đến mức nào? Còn bao nhiêu thời gian trước khi tôi phải đưa khoản này vào ngân sách trong kế hoạch kỹ thuật theo quý?
Về mặt thực tiễn thì chỉ mật mã khóa công khai là có vấn đề, còn khóa đối xứng thì vẫn ổn. Nói vậy có hơi đơn giản hóa, nhưng nhìn chung là đúng
Lý tưởng nhất là phần lớn việc này chỉ nên là “nâng
openssl/openssh/golang-cryptolên bản mới nhất, rồi kiểm tra để cấu hình bắt tay dùng các thuật toán mã hóa mới nhất”. Tuy vậy, vì nhiều lý do mang tính con người nên gần như vẫn chưa có đồng thuận về cách thay đổi giao thức, nên chuyện này còn khá xaĐến lúc nào đó cũng sẽ phải tạo các khóa bất đối xứng mới, và đó có lẽ sẽ là phần thú vị. Hiện chưa có giải pháp dựa trên phần cứng, và nhiều khả năng sẽ mất thời gian. Các công ty muốn tuân theo tiêu chuẩn của chính phủ liên bang Mỹ vì quy định và vì bán hàng cho liên bang; chính phủ liên bang thì tiêu chuẩn hóa giao thức rất chậm và dường như còn muốn bổ sung thêm các thuật toán để chứng nhận; việc phê duyệt FIPS 140 liên quan hiện nay chỉ riêng xử lý hồ sơ cũng đã mất hơn 1 năm, trong khi ai cũng muốn tiến nhanh hơn. Phần mềm có thể tiến nhanh hơn về mặt phát triển, nhưng vẫn phải chấp nhận những đánh đổi quen thuộc khiến việc đánh cắp khóa trở nên dễ hơn, cùng với vấn đề chứng nhận chính thức
Vì thế nên các cơ chế bảo mật “an toàn trước lượng tử” mới đã và đang được phát triển
Nếu bạn có khóa cần dùng được trong 20 năm, thì nên thử các thuật toán tiêu chuẩn mới được NIST phê duyệt
Có ai trên HN hiểu thành tựu lần này đã đưa chúng ta tiến gần tới máy tính lượng tử hữu dụng đến mức nào không?
https://arxiv.org/abs/2408.13687
“Our results present device performance that, if scaled, could realize the operational requirements of large scale fault-tolerant quantum algorithms.”
Có vẻ như Google đã quên kiểm tra xem nó có mở rộng được hay không
Điều này không tạo cảm giác như một đột phá. Đúng là một bước tiến kỹ thuật tích cực, nhưng không phải đột phá
Mà AI thì rốt cuộc có liên quan gì tới chuyện này?