Kuantum hesaplama alanında çalışan herkes, kullanışlı ve geniş kapsamlı hesaplamalar yapabilmek için hata düzeltmenin kritik öneme sahip olduğu konusunda hemfikir. Ancak sektördeki neredeyse her firmanın buraya ulaşmak için farklı bir vizyonu var. Bu vizyonların çoğu, birden fazla donanım qubit'ini bir araya getirerek 'mantıksal qubit'ler oluşturma fikri üzerine kurulu.
Bu genel yaklaşımdan ayrılan önemli bir istisna var: Nord Quantique. Firma, hata düzeltmeli bir kuantum bilgisayarını desteklemek için gereken donanım miktarını önemli ölçüde azaltmayı hedefliyor. Bunu, tek bir donanım parçasına yeterli kuantum durumunu yükleyerek, her bir parçanın bir hata düzeltmeli mantıksal qubit barındırmasına olanak tanıyarak başarıyor. Geçtiğimiz hafta firma, bu yaklaşımın geçerliliğini gösteren önemli sonuçlar paylaştı. İki farklı frekanstaki fotonları kullanarak, mantıksal bir qubit'in durumunu kaybettiği her durumu başarıyla tespit edebilen bir donanım geliştirdiklerini duyurdular.
Bu gelişme henüz tam anlamıyla hata düzeltme sağlamıyor ve mantıksal qubit'i kullanarak herhangi bir işlem gerçekleştirmediler. Ancak bu, firmanın benimsediği yaklaşım için önemli bir doğrulama niteliğinde.
Çift Frekansın Gücü
Nord Quantique'in donanımı, bilgiyi üç veya daha fazla durumda saklayabilen kuantum sistemlerini barındırmak için tek bir donanım parçasının kullanıldığı daha önceki çalışmalara benziyor. Bu sistemde, bir rezonatöre mikrodalga fotonlar yüklenir ve birden fazla moda sahip bir kuantum osilatör oluşturulur, bu da bilginin bu modlarda saklanmasını sağlar. Daha önceki çalışmalarda, araştırmacılar bu modları dört adede kadar durumda bulunabilen bir sistem oluşturmak için kullanmışlardı – yani donanım bir qubit yerine bir qutrit veya ququart barındırıyordu.
Bu tür bir sistemin durumu, fiziksel olarak rezonatöre bağlı olan farklı bir qubit türü, transmon adı verilen bir yapı kullanılarak izlenir.
Bir yıldan biraz daha uzun bir süre önce Nord Quantique, benzer bir kurulumu kullanarak bu cihazlarda en yaygın hata biçimini – sistemin fotonlarından birini kaybettiği durumu – tespit edebildiğini göstermişti. Ancak bu sistem, meydana gelebilecek daha az yaygın hataların çoğunu ele alamıyordu.
Bu kez ise firma, aynı donanımın bir varyantına gerçek bir mantıksal qubit yerleştirebildiğini gösteriyor. Ekipmanlarının önceki versiyonunda, rezonatör boşluğu tek bir posta sahipti ve tek bir frekansı destekliyordu. Yeni iterasyonda ise iki post ve iki frekans kullanıldı. Bu frekansların her biri, aynı boşlukta kendi mod setine sahip kendi kuantum rezonatörünü oluşturuyor. Firmanın mühendisleri, “Bu boşluğun içindeki foton topluluğu, mantıksal qubit'i oluşturuyor.” şeklinde açıklıyor.
Sistemde artık saklanabilen ek kuantum bilgisi, foton kaybından daha karmaşık hataları tanımlamasına olanak tanıyor.
Hataları Tespit Etmek Ama Düzeltmemek
Firma, bu yeni donanımla iki deney gerçekleştirdi. İlk olarak, mantıksal qubit'te depolanan veriler üzerinde birden fazla hata algılama turu çalıştırdı; bu, temelde bir kuantum belleği gibi davranma ve depolanan bilgiyi saklama yeteneğini test etmek anlamına geliyordu. Hataları düzeltmeden, sistem hızla bozuldu ve her ölçüm turunda yaklaşık yüzde 12'lik bir hata olasılığı vardı. Sistem 25. ölçüme ulaştığında, neredeyse her durumda zaten bir hatayla karşılaşılmıştı.
İkinci denemede ise firma süreci tekrarladı ve hata meydana gelen her durumu attı. Neredeyse her durumda bu, sonuçların iki düzine ölçüm turunu tamamlamadan çok önce atılması anlamına geliyordu. Ancak sonraki aşamalarda, kalan örneklerin hiçbiri hatalı bir durumda değildi. Bu, hataların başarılı bir şekilde düzeltilmesinin – ekip tarafından henüz denenmeyen bir şey – tespit edilen tüm sorunları çözebileceğini gösteriyor.
Firma mühendisleri, “Bunu yaptığımızda geriye hiçbir hata kalmıyor.” diyerek, “Ve bu, bu yaklaşıma güven inşa ediyor. Yani, bu çift modlu yaklaşımda tespit edilen bu hataları şimdi düzeltebilen bir sonraki kod neslini inşa edersek, uzun bir süre boyunca hata oluşmayan düz bir çizgiye sahip olmalıyız.” şeklinde ekliyor.
Birçok başka firma zaten hataların tespit edildiği – ve düzeltildiği – deneyler gerçekleştirdi. Hatta bazı durumlarda firmalar, mantıksal qubit'lerle operasyonlar bile yaptılar, ancak bunlar karmaşık hesaplamalar değildi. Nord Quantique ise aksine, yalnızca tek bir mantıksal qubit'in işleyişini gösteriyor, bu nedenle şu ana kadar tanımladığı donanımı kullanarak iki-qubit kapısı operasyonunu test etmek bile mümkün değil.
Dolayısıyla, yalnızca hataların meydana geldiğini tespit edebilmek en ileri nokta değil. Peki bu neden dikkate değer?
Diğer tüm firmalar, tek bir mantıksal qubit'i barındırmak için birden fazla donanım qubit'i gerektiriyor. Çok sayıda donanım qubit'i inşa etmek süregelen bir zorluk olduğundan, çoğu araştırmacının, mantıksal bir qubit'i desteklemek için gereken donanım qubit sayısını en aza indirme planları var – bu, yüksek kaliteli donanım, akıllı bir hata düzeltme şeması ve/veya en yaygın hataları yakalayan donanıma özgü bir özelliğin birleşimiyle mümkün olabilir. Nord Quantique'in yaklaşımını, gereken donanım qubit sayısının basitçe bir olduğu, çözümler spektrumunun en uç noktasında görebilirsiniz.
Nord Quantique'in bakış açısına göre bu önemli, çünkü bu, donanımının sonuçta rakiplerine göre daha az yer kaplayacağı, daha düşük güç ve soğutma gereksinimlerine sahip olacağı anlamına geliyor. Ancak aynı zamanda, çok sayıda qubit'in tutarlı bir bütün olarak çalışmasını sağlamanın teknik olarak zorlaşması durumunda, Nord Quantique'in yaklaşımının nihayetinde bu sınırlamalardan bazılarının üstesinden gelmemize yardımcı olabileceği anlamına da geliyor.
