Bilim insanları, kuantum hesaplama alanında çığır açan bir gelişmeye imza attı. Quantinuum bünyesindeki araştırmacılar, Helios adını verdikleri, dünyanın en güçlü kuantum bilgisayar sistemini tanıttı. Bu yeni sistemin, süper bilgisayarların ancak evrenin en parlak cisimlerinden biri olan quasarların toplam enerji tüketiminden daha fazla enerji harcayarak çözebileceği karmaşık problemleri çözme potansiyeline sahip olduğu belirtiliyor.
Helios'un kalbinde, 98 fiziksel kübitten oluşan bir kuantum işlem birimi (QPU) yer alıyor. Bu kübitler, baryum iyonlarından üretilmiş olup, “birleşme iyon tuzağı” adı verilen özel bir yapıda dizayn edilmiş. Bu yapı, birleşme noktasında halka şeklinde bir kavşak oluşturup iki paralel çubuk şeklinde uzanıyor.
Araştırmacılara göre, bu eşsiz kübit düzenlemesi, hata tespit ve düzeltme yeteneklerini önemli ölçüde artırarak, mevcut QPU'lardan çok daha üstün bir performans sergiliyor. Gelişmeler, şirketle iş birliği içinde gerçekleştirilen yeni bir çalışma ile bilim dünyasıyla paylaşıldı.
Yapılan testler sonucunda dünyanın en güçlü kuantum bilgisayarı olarak nitelendirilen Helios, bir süper iletken metali simüle etmek ve malzemenin atomik davranışı hakkında yeni keşifler yapmak için de kullanıldı. Quantinuum bünyesindeki hesaplamalı tasarım ve teoriden sorumlu direktör David Hayes, “Şu anda bu, dünyanın en güçlü kuantum bilgisayarı. Bu konuda hiç çekinmiyorum,” ifadelerini kullandı.
Kuantum Bilgisayarın Anatomisi
Bilim insanları, 98 fiziksel kübiti, 48 tam hata düzeltmeli mantıksal kübite (yedeklerle birlikte 48 çift) dönüştürdü. Bu mantıksal kübitler, aralarında veri paylaşarak, bir kübitte hata oluşması durumunda sistemin çökme riskini en aza indiriyor. Bu sayede ekibin, “başlangıç noktasından daha iyi bir performans” elde ettiği belirtiliyor.
“Başlangıç noktasından daha iyi performans” ifadesi, işlemcinin hata düzeltme kodları uygulandığında, herhangi bir düzeltme çabası olmadan elde edilen sonuçlardan daha iyi sonuçlar vermesi anlamına geliyor. Hayes, bu tür bir başarının kolay olmadığını vurguluyor.
Daha önce, bir mantıksal kübiti oluşturmak için yaklaşık 10 fiziksel kübit gerektiği varsayılırken, Quantinuum bilim insanları bu oranı 2:1'e indirmeyi başardı. Ayrıca 50 ve 96 mantıksal kübit ile de deneyler yapıldı ancak sonuçlar aynı derecede etkileyici bulunmadı. Yine de, 46 kübitle elde edilen başarılı sonuçların, gelecekte milyonlarca kübitlik çok daha büyük makinelerin inşasını kolaylaştıracağı öngörülüyor.
Bununla da yetinmeyen ekip, popüler Python diline dayanan ve gelecekteki hataya dayanıklı sistemlerle uyumlu olacak şekilde tasarlanmış Guppy adında yeni bir programlama dili geliştirdi. Ayrıca, makinenin “klasik beyni” olarak adlandırılan kontrol motorunun hataları gerçek zamanlı olarak tespit edip düzeltebilmesi için sıfırdan yeni bir kontrol yığını oluşturuldu.
Kontrol motoru, klasik bir bilgisayar gibi çalışarak, kuantum devrelerini çalışma anında tasarlıyor. Ardından Helios, hata bilgilerini çözmek ve düzeltmeleri kuantum bilgisayara geri göndermek için Nvidia GPU'larını kullanıyor. Hayes, “Artık hızlı düşünebilmeli ki kuantum problemi hızla planlayıp değiştirebilsin, böylece kübitler boşta kalıp de-fazlaşma ve de-koherans [hesaplamaların yapılabildiği hassas kuantum durumunu kaybetme] gibi süreçlere girmesin. Hata toleransı için gerekli olan bu gerçek zamanlı kontrol motorunu nihayet ustalaştırdık ve bu yeni makinenin ayrılmaz bir parçası,” şeklinde açıklıyor.
Kuantum Hesaplamada Hata Payı
Hayes, geçmişte yaptıkları H1 ve H2 kuantum işlem birimleri ile yola çıktıklarında, önceliklerinin sistemi çalışır hale getirmek olduğunu belirtiyor. Ancak kısa sürede kuantum hata düzeltme deneylerine odaklanmaya başladıklarını ve daha fazlasına ihtiyaç duyduklarını fark ettiklerini söylüyor.
Yapılan çalışmada, Helios’un çeşitli kuantum hesaplama kıyaslama testlerinde şimdiye kadar kamuoyuna duyurulan diğer tüm makinelerden çok daha yüksek skorlar elde ettiği belirtildi. QPU, tüm kübit çiftlerinde %99.921, tek kübit kuantum kapılarında (tek kübitler üzerinde çalışan hesaplamalar) ise %99.9975 doğruluk oranı kaydetti.
Kıyaslama deneyleri arasında, Google tarafından 2019'da geliştirilen ve 2024'te Willow QPU ile sınırları zorlanan rastgele devre örnekleme (RCS) kıyaslaması da yer alıyordu. Quantinuum, geçen yıl 56 kübitlik H2-1 kuantum bilgisayarı ile bu rekoru kırmıştı.
Yeni sistemden daha fazla fiziksel kübite sahip pek çok kuantum bilgisayar bulunmasına rağmen, performansın kübitlerin kalitesine ve hata yapma eğilimlerinin azaltılmasına daha çok bağlı olduğu vurgulanıyor. Bu nedenle bilim insanları son zamanlarda kuantum hata düzeltmesine (QEC) odaklanıyor.
QEC, klasik bilişimdeki bitlere kıyasla kübitlerdeki olağanüstü yüksek hata oranını ele almayı amaçlıyor. Geleneksel bilgisayarlarda milyarda bir bit hata yaparken, kuantum bilgisayarlarda (herhangi bir müdahale veya hata düzeltme çabası olmadan) yaklaşık binde bir kübit hata yapabiliyor.
Kuantum Bilgisayarlarla Yeni Keşifler Yapmak
Yeni makinelerini test etmek için bilim insanları, Helios'u yüksek sıcaklıkta süper iletken bir metali modellemek ve daha önce bilinmeyen elektron davranışlarını keşfetmek amacıyla kullandı. Bulgularını, preprint veritabanı arXiv'de yayınlanan başka bir çalışma ile detaylandırdılar.
Çalışmada, metal süper iletken haldeyken elektronların, paylaşılmış bir kimliğe sahip olacak şekilde dolanıklık yoluyla eşleştiği ortaya konuldu. Hayes'e göre bu “süper iletkenliğin imzası”, metal süper iletken olmadığında mevcut değil.
Model, daha önce yapılan ve bilim insanlarının odayı ısıtarak kısa bir süre için metali süper iletken hale getirmek amacıyla bir metal parçasına ışık tuttuğu bir deneye dayanıyordu. Simülasyon, süper iletkenlik imzalarını ortaya çıkardı. Hayes, metal parçasının fiilen mevcut olduğu “ıslak laboratuvar” ortamında, bireysel elektronlardaki bu davranışın görülemeyeceğini belirtiyor.
Bilim insanları daha önce, metal parçasının nasıl davranabileceğini modelleyen analog kuantum simülatörleri üzerinde başka deneyler yapmış olsalar da, dijital bir kuantum bilgisayarın yapabildiği gibi bireysel parçacıkları ölçüp inceleyemiyorlardı. Yeni makinenin bu fenomeni gözlemleyebilen ilk kuantum bilgisayar olduğunu da ekledi.
Yeni kuantum hesaplama mimarisini tanıtan Hayes, gelecekteki makinelerde bu birleşme iyon tuzaklarının çoğunun birlikte çalışabilmesi için ölçeklendirilmeye başlanabileceğinden emin. Hayes, “Bunu, kübitlerin onları gerçekten verimli bir şekilde yönlendiren ve eşleştiren bir trafik kavşağı gibi düşünebilirsiniz. Ve şimdi bu çalıştığına göre, bir sonraki nesil makineye çok sayıda bu türden eklemek ve makineleri devasa sayılara ölçeklendirmek oldukça basit olacaktır,” dedi.
