Kendi Hatalarını Düzeltmeye Yetişen Kuantum Bilgisayarlarına Bir Adım Daha Yaklaşındayız

Kuantum bilgisayarlar performans açısından inanılmaz bir sıçrama vaat ediyor, ancak bu vaatlerin büyük bir kısmı hâlâ potansiyel olarak kilitli. Bugünkü kuantum bilgisayarları, nihayetinde mümkün olabilecek şeylerin nispeten küçük ölçekli, sınırlı prototipleri.

Kuantum bilgisayar teknolojisini ölçeklendirmenin ve genişletmenin başlız zorluklarından biri, hata dayanıklılığını (fault tolerance) sağlamak: Bilgisayar hesaplamalarını yürütürken aynı anda hataları tespit edip düzeltme yeteneği.

Şimdi, ABD’li araştırmacılar Nature Physics‘te yayımladıkları yeni bir çalışma ile gerçek zamanlı hata düzeltmenin nasıl işleyebileceğinin bir kısmını gösterdi. Araştırmacılar, hem kaosu yaratan hem de onu düzelten olmak üzere iki aşamalı bir sistem kurdu; bu, hata dayanıklılığı için gerekli olan temel mekanizmayla aynıdır.

“Hata dayanıklı bir kuantum bilgisayarı inşa etmek için, bu kontrolleri ve düzeltmeleri hesaplama sırasında bir veya iki kez değil, çok büyük sayıda kez yapmamız gerekiyor,” diyor ABD’deki Rutgers Üniversitesi’nden fizikçi Jedediah Pixley.

“Bu deney, o yoldaki bir dönüm noktası. ‘Tamam, oraya ulaşmak için önemli bir adımı daha attık’ diyor.”

Klasik bilgisayarlar bit’ler üzerinde çalışır; bit’ler ya 1 ya da 0 olarak ayarlanır. Kuantum bilgisayarlarının içindeki kubit’ler ise ölçülene kadar 1, 0 ya da bunların herhangi bir arasında (süperpozisyon içinde) olabilir – hesaplamalardaki üstel artıştan buradan geliyor.

IBM Quantum Heron kuantum işlem birimi. (IBM)

Kubit’ler aynı zamanda inanılmaz derecede hassastır ve ısı veya hareket gibi çevresel değişkenlerden kaynaklanan girişimlere karşı çok duyarlıdır. Bu yüzden hata düzeltme bu kadar önemli.

Yaklaşımını test etmek için araştırmacılar, 156 kubit’lik bir IBM Quantum Heron işlemci kullandı ve aynı anda en fazla 100 kubit’i bir araya getirdi. Sistem ardından iki sırayla değişen görevle yapılandırıldı: karıştırma (koyu sistemin içine yayma) ve kontrol (gerekli yerlerde kubit’leri sıfırlama).

“Zorluk, bir kubit’i ölçmekten çok daha fazlaydı; bunu, işlemcinin geri kalanı çalışırken tekrar tekrar yapmak gerekiyordu,” diyor IBM’den fizikçi Maika Takita.

“Bu deney, günümüz donanımının kuantum işlemlerini, ölçümlerini ve sıfırlamalarını büyük bir sistem üzerinde binlerce kez koordine edebileceğini gösteriyor.”

Araştırmacılar, deneyleri boyunca karıştırma ve sıfırlama arasındaki dengeyi değiştirdi. Neredeyse 5.000 kubit işlemi ve neredeyse 5.000 kontrol ve sıfırlama boyunca, kontroller ve sıfırlamalar işlemlerin yarısından fazlasını oluşturduğunda düzen yeniden sağlandı.

Kubit’ler eklendikçe, veri içindeki dönüm noktası daha net bir biçimde ortaya çıktı – bunun küçük bir devrenin tesadüfi bir özelliği değil, suyun birleşik bir biçimde donarak ice dönmesi gibi gerçek bir kuantum etkisi ve faz geçişi olduğuna dair kanıt.

“Deney ile teori arasındaki uyum, bunun küçük bir devrenin tesadüfi bir özelliği olmadığını gösterdi. Bu, kuantum sistemi boyunca ortaya çıkan kolektif bir davrandı,” diyor Florida Üniversitesi’nden fizikçi Haining Pan.

Kuantum bilgisayarları, sıradan bilgisayarlar gibi kısa süre içinde standart ev aletlerine dönüşmeyecek, ancak üst düzey, inanılmaz dere karmaşık bilgi işleme görevlerinde yardımcı olacaklar: ilaç gelişiminin test edilmesi, hava durumu tahmini, malzeme simülasyonu, yapay zekâyı beslemek ve çok daha fazlası.

Şimdi biliyoruz ki, kaos teorisinin aynı matematiksel kontrolleri ve dengeleri – Brezilya’daki bir kelebeğin kanat çırpmasının nihayetinde Texas’ta bir kasırgayı başlatabileceği fikri – kuantum olduğu kadar klasik ortamda da işleyebilir.

Bu çalışmada gösterilen kontrol ve sıfırlama sistemi, aslında kuantum hesaplamada kullanışlı olması için daha büyük karmaşıklık kuralları kullanılarak ölçeklendirilmeli – ancak geri bildirim döngülerinin kuantum sistemlerini pürüzsüz ve düzenli biçimde çalıştırabilmesinin bir stres testi olarak işe yarar.

“İçinden çıkılamayan davranış, rastgele müdahale ile kontrol altına alınabilir ve bunun gerçekleştiği keskin biçimde tanımlanmış bir hız var,” diyor Louisiana Devlet Üniversitesi’nden fizikçi Justin Wilson.

“Kaos ile kontrol arasındaki bu geçidin kuantum fiziğinde ayakta kalacağı belli değildi, ancak sonuçlarımız bunun böyle olduğunu gösteriyor.”

Araştırma Nature Physics‘te yayımlandı.

Bu makale Fiona MacDonald tarafından doğrulanmış ve Fiona MacDonald tarafından düzenlenmiştir. Sürecimize gurur duysak da yalnızca insanız. Bir hata fark ederseniz, lütfen bize bildirin.