MỘT CON MÈO LƯỢNG TỬ ĐỨNG YÊN SUỐT NHIỀU PHÚT

Một máy tính lượng tử chỉ hữu ích nếu nó có thể tự sửa lỗi của mình. Điều đó đòi hỏi rất nhiều phần cứng — trừ khi các lỗi bị lệch hẳn về một phía. Nếu một loại lỗi gần như không bao giờ xảy ra, mã sửa lỗi chỉ phải chống lại loại kia, và nó có thể đơn giản hơn nhiều.

Các qubit mèo (cat qubits) được thiết kế để lệch như vậy. Chúng lưu thông tin trong một mạch siêu dẫn chứa một trường vi sóng, dưới dạng hai dao động ngược nhau của trường đó. Biến 0 thành 1 — một lỗi lật bit (bit flip) — nghĩa là nhảy từ dao động này sang dao động kia. Trường càng có nhiều photon, hai trạng thái càng cách xa nhau: lỗi lật bit trở nên hiếm đi theo hàm mũ với số photon, trong khi lỗi còn lại, lỗi lật pha (phase flip), chỉ tăng tỉ lệ thuận.

Hai thung lũng, một điểm yếu

Có hai cách giữ một con mèo đứng yên. Mèo “tiêu tán” (dissipative) liên tục bị một bộ phận đi kèm có hao tổn đẩy trở về hai trạng thái của chúng; chúng đã trụ được hơn 100 giây. Mèo “Kerr” thì nằm trong một địa hình năng lượng có hai thung lũng ngăn cách bởi một rào thế, được tạo ra bằng cách kích thích một mạch phi tuyến. Ưu điểm của chúng là khả năng điều khiển nhanh. Điểm yếu của chúng: lỗi lật bit chỉ sau vài mili giây — một cải tiến gần đây đạt 3,6 ms, vẫn còn thiếu năm bậc độ lớn.

Lý do là không có gì loại bỏ năng lượng thừa. Nhiễu đá con mèo vào các trạng thái kích thích bên trong thung lũng của nó, và từ đó, việc trượt sang thung lũng bên kia trở nên dễ dàng hơn nhiều. Tệ hơn nữa, khi kích thích mạnh, qubit thường rơi vào những cộng hưởng với mạch đọc của nó, làm suy giảm nghiêm trọng khả năng bảo vệ.

Mạch đọc như một đường thoát

Sergey Hazanov, Mikhail Svintsov và các đồng nghiệp tại Viện Khoa học Weizmann ở Israel đã lật ngược vấn đề này. Chính tương tác phi tuyến đào nên hai thung lũng cũng liên kết các kích thích bên trong mỗi thung lũng với bộ cộng hưởng đọc (readout resonator), một mạch liên tục rò rỉ photon vào đường đo.

Khi năng lượng của một kích thích khớp với khoảng chênh lệch giữa tín hiệu kích thích và bộ cộng hưởng đọc — một cộng hưởng “tự tham số” (autoparametric) — kích thích được chuyển giao thành một photon đọc, và photon này thoát ra ngoài. Bản thân giá trị 0 hay 1 thì không bị động chạm. Một đường thoát thứ hai xuất hiện qua bộ lọc đặt trên đường ra.

Nhóm nghiên cứu đã đo trực tiếp hiện tượng này: khi cộng hưởng, trạng thái kích thích thứ nhất được làm trống nhanh nhất mức mạch đọc cho phép, và các trạng thái cao hơn thoát năng lượng theo kiểu thác đổ (cascade). Con chip của họ — nhôm trên silic, được làm lạnh tới 10 millikelvin — không cần thêm tín hiệu kích thích làm lạnh nào và không cần thêm linh kiện mạch nào.

Bảy bậc độ lớn

Xa các cộng hưởng, lỗi lật bit vẫn xảy ra trong vòng vài mili giây. Gần chúng, khả năng bảo vệ tăng vọt:

• 519 mili giây tại cộng hưởng với bộ cộng hưởng đọc (22,4 photon);
• 15,4 giây ở giữa hai cộng hưởng (27,3 photon);
• không có suy giảm nào đo được của trạng thái được lưu trữ trong một cửa sổ đo 100 giây tại cộng hưởng với bộ lọc (33,8 photon), nghĩa là thời gian lật bit dài hơn 100 giây.

Bằng cách đếm những lần lật hiếm hoi trong các bản ghi dài của những lần đọc lặp lại — 62 lần lật trong 15 giờ — nhóm ước tính thời gian lật bit tại điểm cuối cùng đó: 448 ± 57 giây, vượt hơn năm bậc độ lớn so với các mèo Kerr trước đây.

Lỗi lật bit giảm theo hàm mũ với số photon là một tiên đoán đặc trưng của mèo Kerr, nhưng chưa bao giờ được quan sát. Lần này nó đã hiện ra: mỗi photon thêm vào nhân thời gian lật bit lên 1,82 ± 0,06 lần, từ 52 micro giây ở 7,4 photon tới 448 giây ở 33,8, khoảng bảy bậc độ lớn, không có dấu hiệu chững lại.

Cổng nhanh, phép đọc nhẹ nhàng

Khả năng bảo vệ chẳng có giá trị gì nếu qubit không còn dùng được nữa. Một phép quay cơ bản của qubit đã được làm lạnh mất 8 nano giây, và việc để tín hiệu quay đó bật suốt cũng không làm ngắn thời gian lật bit (0,65 giây khi có, 0,64 giây khi không). Đọc qubit trong 4 micro giây chỉ gây ra lật bit 5 lần trên 10 triệu lần đọc.

Loại lỗi còn lại

Cái giá phải trả là lỗi lật pha. Nó tuân theo giới hạn dự kiến do sự mất mát từng photon đơn lẻ, khoảng T₁/(2n̄), trong đó T₁ là thời gian sống của photon trong mạch (khoảng 8 micro giây) và n̄ là số photon. Ở 24,2 photon, con mèo trụ được 3,55 giây trước lỗi lật bit nhưng chỉ 113 nano giây trước lỗi lật pha: một độ lệch khoảng 30 triệu trên một.

Các tác giả chỉ ra hai cách để thu hẹp khoảng cách. Thời gian sống của photon đạt 55,7 micro giây đã được thực hiện ở nơi khác, dài hơn ở đây khoảng bảy lần. Và mạch điện lạnh hơn sẽ để lại ít kích thích thừa hơn, có thể mang lại cùng mức bảo vệ với ít photon hơn — và do đó ít lỗi lật pha hơn.