Kuantum bilgisayarların en büyük sorunu, inanılmaz derecede hata yapmaya yatkın olmaları. Bu olağanüstü makineler, en güçlü süper bilgisayarların bile altından kalkamayacağı problemleri bir gün çözebilir.
Ancak kuantum hesaplamanın temelini oluşturan kuantum durumları oldukça kırılgandır ve hataları kontrol altında tutmak devasa bir görevdir. Hatta tam işlevsel bir kuantum bilgisayar, hesaplamaları doğru yapmak için kaynaklarının büyük bir kısmını harcamak zorunda kalabilir.
Şimdi ise Google'daki bilim insanları, "sihirli durum yetiştiriciliği" olarak adlandırılan etkili bir teknikle kuantum bilgisayarların hata oranını önemli ölçüde azaltmanın yeni bir yolunu gösterdiler.
Araştırmacılar, 'Science' dergisinde yayımlanan makalelerinde, "Sonuçlarımız, sihirli durum yetiştiriciliğini kuantum hesaplamanın en önemli zorluklarından birine uygulanabilir bir çözüm olarak deneysel olarak kanıtlıyor" ifadelerini kullanıyor.
Kuantum bilgisayarlar, en küçük ölçekteki parçacıkları yöneten tuhaf fizik kurallarından olağanüstü yeteneklerini elde ederler. Klasik bir bilgisayarın bitleri bilgiyi 1 veya 0 olarak temsil ederken, kuantum bitleri veya kübitler, ölçülene kadar hem 1 hem de 0 durumlarının süperpozisyonunda bulunabilir. Ölçüm, bu süperpozisyonu bozarak kesin bir sonuç verir.
Bu süperpozisyonun hassasiyeti hem bir güç hem de bir zayıflıktır. Makineleri bu kadar güçlü yapan kuantum durumları, çevrelerinden gelen en ufak bir etkileşimle bozulabilir ve hesaplamaları hızla raydan çıkarabilecek hatalara yol açabilir. Bu hataları kontrol altında tutmak için kuantum bilgisayarlar, tek bir mantıksal kübide kodlanan bilgiyi korumak için birden fazla fiziksel kübiti kullanan karmaşık hata düzeltme sistemlerine ihtiyaç duyar.
Ancak bu korumaya rağmen başka bir sorun devam ediyor. Karmaşık kuantum hesaplamalar için gereken bazı işlemlerin diğerlerine göre güvenilir bir şekilde gerçekleştirilmesi çok daha zordur.
Bu sorunu çözmek için fizikçiler "sihirli durumlar" adı verilen bir şey icat ettiler. Bunlar, bilgisayarların hata düzeltmeyi tehlikeye atmadan zorlu kuantum işlemlerini gerçekleştirmesini sağlayan önceden hazırlanmış kuantum durumlarıdır.
Ancak her sihirli durum yalnızca bir kez kullanılabilir ve bu nedenle kuantum bilgisayarın sürekli olarak yeni sihirli durumlara ihtiyacı vardır. Sihirli durumların kendisini hazırlamak da zorlu bir iştir.
Sihirli durum hazırlığı sırasında hatalar oluşabilir, bu nedenle araştırmacılar geleneksel olarak sihirli durum damıtma tekniğine güvenmişlerdir. Bu teknik, bir grup kusurlu sihirli durumu alıp daha güvenilir az sayıda durum üretmek için işler. Etkilidir ancak kapsamlı kuantum donanımı ve işlem süresi gerektirebilir.
2024 yılında Google araştırmacıları sihirli durum yetiştiriciliği fikri üzerinde çalışmaya başladı. Bunu bir sera gibi düşünebilirsiniz. Bu benzetmede, sihirli durum damıtma, tam bir sera dolusu gül yetiştirip daha sonra onlardan daha az sayıda ödüllü örnekler üretmek gibidir. Buna karşılık sihirli durum yetiştiriciliği, sadece tek bir bitki yetiştirmek, onu özenle beslemek ve budamakla en iyi hale getirmek gibidir. Eğer herhangi bir noktada işler yolunda gitmezse, bitki atılır ve yeni bir tohumla baştan başlanır.
Sonunda gerçekten olağanüstü bir bitki elde edersiniz ve bunu başarmak için tüm seraya ihtiyacınız olmaz. Buradaki fikir, geleneksel yöntemlerin üretebileceğinden daha iyi bir sihirli durum üretmek değil, daha az kaynak kullanarak benzer kalitede bir durum üretmektir.
Şimdi Google ekibi bu fikri Willow kuantum işlemcisi üzerinde test etti ve sonuçlar umut verici. Sihirli durum yetiştiriciliği kullanarak, araştırmacılar hazırlık sürecindeki hataları yaklaşık 40 kat azalttı ve en az %99,99 doğruluk payına sahip sihirli durumlar üretti.
Ancak bir ödünleşim var. Bu güvenilirlik düzeyini elde etmek için araştırmacıların denemelerinin çoğunu atmaları gerekti, en sıkı çalıştırmalarda sonuçların yalnızca yaklaşık %8'ini sakladılar. Süreç sırasında küçük bir sıçrama yaşandı ve bu da başka bir küçük gelişmeye yol açtı.
Bir kuantum tekniğinin işe yaradığını kanıtlamanın kritik bir parçasıdır. Yetiştirilmiş bir sihirli durumla bu özellikle zorlayıcıdır. Hataları bu kadar az olan bir şeyi doğru bir şekilde nasıl ölçersiniz?
Google kuantum fizikçisi Emma Rosenfeld ilk kez yetiştiricilik tekniğini test ettiğinde, sonuçlar fizik yasalarına aykırı göründü. Sorunun kaynağını durumun doğruluğunu ölçme yönteminde bulmak aylarca süren bir araştırmaya mal oldu. Laboratuvar ekipmanlarındaki küçük dalgalanmalar, sıcaklık değişimleri dahil, ekibin normal yaklaşımını güvenilmez hale getiren parazitlere neden oluyordu.
Araştırmacılar nihayetinde, daha önceki ölçümlerini gölgelemiş olan çarpıtmalardan etkilenmeden yetiştirilmiş durumların güvenilirliğini değerlendirmelerini sağlayan kickback tomografi adlı yeni bir teknik geliştirdiler. Nihayet ekip, yetiştirilmiş sihirli durumlarının daha büyük bir kuantum hata düzeltme koduna aktarılabildiğini gösterdi. Bu, gerçek kuantum hesaplamalarda kullanmaya yönelik kritik bir adımdı.
Bu tam bir başarı değildi; daha büyük kod ek hatalar ekledi ancak bu, ele alınacak bir sonraki bulmaca parçası olacaktır. Yine de sonuçlar, sihirli durum yetiştiriciliğinin gerçek kuantum donanımında çalışabildiğini ve araştırmacıların güvenmek zorunda kaldığı kaynak yoğun yöntemlere umut verici bir alternatif sunduğunu gösteriyor.
Araştırmacılar, "Nihayetinde, bu bulgular sihirli durum yetiştiriciliğini teorik bir çalışmadan deneysel bir gerçeğe dönüştürerek, süperiletken işlemcilerde evrensel mantık için pratik bir yol sağlıyor" diye yazıyorlar.
Araştırma, Science dergisinde yayımlanmıştır.
