Khi một bộ xử lý lượng tử lớn dần, thứ hỏng trước tiên hiếm khi là chất lượng của từng qubit riêng lẻ. Nó là crosstalk giữa các qubit: xung điều khiển nhắm vào một qubit lại tác động lên hàng xóm, và cổng logic vốn đạt độ trung thực rất cao khi chạy một mình bỗng xuống cấp khi chạy song song với các cổng khác. Bài này phân tách hai cơ chế vật lý hoàn toàn khác nhau cùng bị gọi chung là crosstalk, giới thiệu giao thức đo tách chúng ra, và nêu yêu cầu mà bài toán này đặt lên hệ thiết bị điều khiển.
Crosstalk giữa các qubit: hai cơ chế khác nhau cùng một tên gọi
Bài báo nền tảng về chủ đề này là Characterization of Addressability by Simultaneous Randomized Benchmarking của Gambetta và cộng sự, đăng trên Physical Review Letters tập 109, số bài 240504 (2012). Nhóm tác giả nêu rõ khả năng địa chỉ hoá — addressability, tức mức độ ta thật sự chỉ tác động lên đúng qubit mình nhắm — có thể mất đi theo hai đường:
- Crosstalk cổ điển. Trường điều khiển nhắm vào một hệ con lại ảnh hưởng tới các hệ con lân cận. Đây là bài toán điện từ thuần tuý trên đường điều khiển vi sóng: ghép điện dung hoặc điện cảm giữa các đường dẫn, ghép qua mặt đất chung, rò rỉ trong bộ chia hoặc bộ khuếch đại, phản xạ trong đường truyền.
- Tương tác lượng tử không mong muốn. Bản thân các qubit còn ghép với nhau khi lẽ ra phải cô lập. Trong hệ siêu dẫn, biểu hiện thường gặp là dịch chuyển Stark: tần số cộng hưởng của một qubit thay đổi tuỳ theo trạng thái của qubit bên cạnh.
Phân biệt hai cơ chế này là bước bắt buộc, vì cách sửa hoàn toàn trái ngược. Crosstalk cổ điển sửa được bằng phần cứng và bằng cách định dạng lại xung — tăng cách ly, chỉnh lại định tuyến, bù trước dạng xung. Tương tác lượng tử không mong muốn thì không: nó nằm trong chính thiết kế chip và chỉ xử lý được bằng cách đổi lịch trình cổng, dùng chuỗi tách ghép, hoặc điều chỉnh điểm làm việc về tần số. Đổ công sức vào đúng nhóm giải pháp cho sai cơ chế là cách phổ biến nhất để mất vài tháng mà không cải thiện gì.
Vì sao đo từng qubit một không phát hiện được
Cả hai cơ chế chỉ bộc lộ khi có hoạt động đồng thời. Hiệu chuẩn tuần tự từng qubit sẽ cho ra một bảng kết quả đẹp, vì trong lúc hiệu chuẩn qubit thứ nhất thì mọi đường điều khiển khác đang im lặng. Đưa cùng bộ tham số đó vào một mạch lượng tử thật — nơi nhiều cổng chạy song song — và độ trung thực tụt xuống mà không có tham số đơn lẻ nào giải thích được.
Đây chính là lý do phải có khái niệm hiệu chuẩn đồng thời: tham số điều khiển chỉ đúng trong bối cảnh mà nó sẽ được dùng.
Giao thức đo: benchmarking ngẫu nhiên đồng thời
Giao thức của Gambetta và cộng sự có cấu trúc đơn giản đến mức thanh lịch, gồm hai lần chạy và một phép trừ:
- Chạy riêng. Thực hiện benchmarking ngẫu nhiên cho từng qubit một, trong khi các qubit còn lại nghỉ. Thu được độ trung thực cổng trung bình của từng qubit khi cô lập.
- Chạy đồng thời. Thực hiện benchmarking ngẫu nhiên cho tất cả các qubit cùng lúc. Thu được độ trung thực cổng trung bình trong điều kiện vận hành thật.
- Lấy hiệu. Mức độ địa chỉ hoá được xác định qua chênh lệch giữa độ trung thực cổng trung bình của hai thí nghiệm trên. Chênh lệch càng lớn thì khả năng địa chỉ hoá càng kém.
Điểm mạnh của cách làm này là nó thừa hưởng tính bền vững của benchmarking ngẫu nhiên: kết quả không bị nhiễm bởi sai số chuẩn bị trạng thái và sai số đọc, vì các sai số đó chỉ ảnh hưởng hằng số của đường cong suy giảm chứ không ảnh hưởng tốc độ suy giảm. Nhóm tác giả đã kiểm chứng giao thức trên hai mẫu chip siêu dẫn có mức crosstalk và mức tương tác không mong muốn khác nhau, và kết quả phù hợp với dự đoán từ các mô hình đơn giản về crosstalk cổ điển và dịch chuyển Stark.
Từ một con số sang ma trận crosstalk
Trong thực hành vận hành hệ nhiều qubit, phép trừ trên được mở rộng thành một bảng hai chiều: chạy benchmarking cho qubit đích trong khi lần lượt cho từng qubit khác hoạt động, ta lập được ma trận cho biết qubit nào làm hỏng qubit nào và ở mức nào.
Ma trận này là dữ liệu điều hành thực sự, vì nó cho ba quyết định cụ thể: cặp qubit nào không nên xếp cổng vào cùng một lớp thời gian; đường điều khiển nào cần cách ly tốt hơn ở lần chỉnh phần cứng kế tiếp; và vùng nào của chip nên tránh khi ánh xạ mạch lượng tử. Hướng nghiên cứu mở rộng theo đó cũng đã đi xa hơn — chẳng hạn dùng chụp cắt lớp tập cổng đồng thời để đặc trưng hoá sai số crosstalk chi tiết hơn benchmarking, với cái giá là số phép đo lớn hơn nhiều.
Yêu cầu đặt lên hệ thiết bị điều khiển
Một khi đã chấp nhận rằng hiệu chuẩn phải làm trong điều kiện đồng thời, phần cứng điều khiển phải đáp ứng bốn yêu cầu mà hệ đơn kênh không cần quan tâm.
Đồng bộ pha giữa các kênh
Nếu quan hệ pha giữa các kênh trôi giữa hai lần chạy, chênh lệch độ trung thực đo được sẽ lẫn phần trôi pha vào phần crosstalk thật, và ma trận thu được vô nghĩa. Bộ phát sóng tuỳ ý PXIe Keysight M9336A giải quyết yêu cầu này bằng khả năng đồng bộ nhiều mô-đun để tạo tín hiệu đồng pha; cấu hình 3 kênh, 1,28 GSa/s, DAC 16 bit, băng thông 540 MHz mỗi kênh và 1,08 GHz cho điều chế I/Q, gói trong một khe PXIe duy nhất. Vấn đề đồng bộ pha khi mở rộng quy mô đã được bàn riêng trong bài Mở rộng điều khiển qubit.
Độ phân giải biên độ
Sai số crosstalk cần đo thường nhỏ hơn nhiều so với sai số cổng cơ bản. Nếu bước lượng tử hoá biên độ của bộ phát tự nó đã tạo ra sai số cùng cỡ với đại lượng cần đo thì phép đo không có ý nghĩa. Đây là lý do DAC 16 bit của M9336A đáng giá hơn băng thông cao trong ngữ cảnh điều khiển qubit — khác hẳn ưu tiên thông thường của đo lường tốc độ cao.
Chất lượng phổ của nguồn vi sóng
Nhiễu pha của nguồn dẫn động đặt sàn cho độ trung thực cổng, và thành phần nhiễu ở tần số bằng khoảng cách giữa hai qubit lân cận là thành phần nguy hiểm nhất vì nó dẫn động chéo trực tiếp. Máy phát tín hiệu vector Keysight M9384B phủ 1 MHz đến 44 GHz, hai kênh, băng thông điều chế tới 2 GHz, nhiễu pha −137 dBc/Hz tại offset 20 kHz ở 1 GHz, và hỗ trợ đồng bộ pha cho dao động nội lẫn băng gốc giữa nhiều kênh.
Định dạng xung và bù trước
Giảm crosstalk cổ điển phần lớn là bài toán định dạng xung: xung có phổ hẹp hơn thì rò sang tần số của qubit lân cận ít hơn. Việc này đòi bộ phát có bộ nhớ dạng sóng đủ sâu và tốc độ lấy mẫu đủ cao để dựng biên dạng xung mượt. Ở các cấu hình cần băng thông rộng hơn, bộ phát sóng tuỳ ý Keysight M8195A cung cấp 65 GSa/s, băng thông analog 25 GHz, bộ nhớ tối đa 16 GSa và jitter nội tại 200 fs, ở dạng AXIe một khe. Kỹ thuật bù trước để chống méo dạng đường truyền được trình bày riêng trong bài Hiệu chỉnh xung điều khiển qubit.
Quy trình thực hành khi mở rộng số qubit
- Hiệu chuẩn riêng từng qubit để có mốc tham chiếu — tần số, biên độ xung, thời lượng cổng.
- Chạy benchmarking ngẫu nhiên riêng lẻ, ghi lại độ trung thực cổng trung bình của từng qubit.
- Chạy benchmarking ngẫu nhiên đồng thời trên toàn bộ nhóm qubit quan tâm.
- Lập ma trận chênh lệch theo từng cặp để xác định hướng và mức crosstalk.
- Phân loại cơ chế. Nếu mức suy giảm thay đổi theo biên độ xung dẫn động, nghi vấn nghiêng về crosstalk cổ điển; nếu nó thay đổi theo trạng thái của qubit lân cận, nghi vấn nghiêng về tương tác lượng tử không mong muốn.
- Áp dụng biện pháp đúng nhóm, rồi lặp lại từ bước 3 — luôn đo lại trong điều kiện đồng thời, không quay về đo riêng lẻ.
Với cổng hai qubit, quy trình trên vẫn giữ nguyên khung nhưng khối lượng lớn hơn hẳn: cổng hai qubit vốn có độ trung thực thấp hơn cổng một qubit, thời gian thực hiện dài hơn nên phơi nhiễm với crosstalk lâu hơn, và số tổ hợp cần khảo sát tăng nhanh theo số qubit. Vì vậy trong thực tế người ta hiếm khi quét toàn bộ ma trận, mà ưu tiên các cặp nằm gần nhau về không gian hoặc gần nhau về tần số — đúng hai điều kiện làm crosstalk mạnh nhất.
Kết luận
Crosstalk giữa các qubit không phải một đại lượng, mà là hai cơ chế vật lý khác nhau ẩn dưới một cái tên. Benchmarking ngẫu nhiên đồng thời là công cụ tối thiểu để tách chúng: chạy riêng, chạy đồng thời, lấy hiệu độ trung thực. Kết quả chỉ có giá trị khi hệ thiết bị điều khiển giữ được pha ổn định giữa các kênh, có đủ độ phân giải biên độ, và có nguồn vi sóng đủ sạch — nếu không, thứ đo được sẽ là hạn chế của thiết bị chứ không phải tính chất của chip.
Các phép đo ở mức sai số nhỏ như vậy đòi hỏi thiết bị còn trong hạn hiệu chuẩn. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, cung cấp bộ phát sóng tuỳ ý, máy phát tín hiệu vi sóng và hệ thiết bị PXIe, kèm dịch vụ hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình hệ điều khiển phù hợp.
