IBM, kuantum hesaplamayı tamamen yeni bir alana taşıması beklenen, hataya dirençli bir sistem geliştirme planlarını duyurdu. Bu sistem, hem kullanışlı hesaplamalar yapabilecek hem de hataları tespit edip düzeltebilecek ve klasik bilgisayarlarla modellenmesi imkansız olacak. Starling adı verilen donanımın, 200 mantıksal kübit üzerinde 100 milyon işlemi hatasız bir şekilde gerçekleştirmesi bekleniyor. Şirket, bu sistemi 2029 yılında kullanıma sunmayı hedefliyor.
Belki de aynı derecede önemli olan bir diğer gelişme, IBM'in Starling'e giden ara adımların detaylı bir tanımını paylaşması. Bu adımlar arasında, hata düzeltme yeteneğine sahip kübit gruplarını barındıracak, temelde işlevsel bir hesaplama birimi oluşturacak bir dizi işlemci bulunuyor. Bu, şirket için büyük bir geçişi işaret ediyor; artık tek tek donanım kübitlerinden bahsetmek yerine, işlevsel hesaplama donanım birimlerine odaklanılıyor. Eğer her şey yolunda giderse, yeterli sayıda bu hesaplama birimini bir araya getirerek Starling'i inşa etmek mümkün olacak.
Yeni Mimariler
Kuantum donanımında hata düzeltme, bir grup kübiti belirli bir şekilde dolaşık hale getirerek yapılır. Bu, bir veya daha fazla kuantum bit değerini aralarında dağıtır ve sistemin durumunu kontrol etmek için ek kübitler (ölçüm kübitleri olarak düşünülebilir) içerir. Ölçüm kübitleri üzerinde yapılan zayıf kuantum ölçümleri "sendrom verisi" adı verilen bilgiyi üretir. Bu veri, veri kübitlerinde bir değişiklik olup olmadığını (bir hatanın olduğunu) ve bu hatanın nasıl düzeltileceğini anlamak için yorumlanabilir.
Bu işlemin çalışması için veri ve ölçüm kübitlerini farklı şekillerde düzenlemenin birçok potansiyel yolu vardır, her biri bir "kod" olarak adlandırılır. Genel bir kural olarak, koda ne kadar çok donanım kübiti ayrılırsa, hatalara karşı o kadar dirençli olur ve donanım kübitleri arasında o kadar çok mantıksal kübit dağıtılabilir.
Tuzaklanmış iyonlar veya nötr atomlar gibi bazı kuantum donanımları, hata düzeltme kodlarını barındırma konusunda nispeten esnektir. Donanım kübitleri hareket ettirilebilir, böylece herhangi ikisi dolaşık hale getirilebilir. Bu, geniş bir yapılandırma yelpazesini mümkün kılar, ancak atomları hareket ettirmek için harcanan zaman pahasına gerçekleşir. IBM'in teknolojisi ise oldukça farklıdır. Çip üzerine yerleştirilmiş süper iletken elektroniklerden yapılmış kübitlere dayanır ve kübitler arasındaki dolaşıklık, aralarındaki kablolama ile sağlanır. Bu kablolamanın düzeni, çipin üretimi sırasında belirlenir ve bu nedenle çipin tasarımı, potansiyel hata düzeltme kodlarının sayısını sınırlar.
Ne yazık ki, bu kablolama komşu kübitler arasında çapraz etkileşime (crosstalk) neden olabilir ve durumlarını kaybetmelerine yol açabilir. Bunu önlemek için, mevcut IBM işlemcilerindeki kübitler, bağlantılarının altıgen düzenlemeleri nedeniyle "heavy hex" olarak adlandırılan bir konfigürasyonda kablolanmıştır. Bu, donanımının hata oranını düşük tutmak için iyi çalışmıştır, ancak IBM, heavy hex geometrisiyle uyumsuz bir hata düzeltme kodu kullanmaya karar verdiği için bir zorluk yaratmaktadır.
Birkaç yıl önce bir IBM ekibi, düşük yoğunluklu eşlik kontrolü (LDPC) adı verilen kompakt bir hata düzeltme kodu tanımladı. Bu kod, kübitler arasında kare bir en yakın komşu ağı bağlantısı ve çip üzerinde nispeten uzaktaki kübitleri bağlamak için kablolama gerektirir. Çiplerini ve hata düzeltme şemasını senkronize etmek için IBM iki temel ilerleme kaydetti. Birincisi, çip paketlemesinde yapılan geliştirmelerdir. Artık donanım kübitlerinin üzerinde birkaç katmanlı kablolama kullanarak LDPC kodu için gereken tüm bağlantıları mümkün kılıyor.
Bunu ilk olarak şirketin gelişim yol haritasında yer alan Loon adlı bir işlemcide göreceğiz. Üç temel özelliğin zaten gösterildiği belirtiliyor: yüksek bağlantı, uzun mesafeli bağlayıcılar ve çipin düzlemini kırıp diğer kübitlere bağlanan bağlayıcılar. Loon, bu yıl içinde kamuoyuna tanıtılacak.
IBM'in kaydettiği ikinci gelişme, heavy hex geometrisinin en aza indirmek için kullanıldığı çapraz etkileşimi ortadan kaldırmak. Dolayısıyla heavy hex konfigürasyonu terk ediliyor. Bu yıl içinde, neredeyse sıfır çapraz etkileşime sahip, kare dizilimli bir işlemci çıkarılacak. Bu işlemci Nighthawk olarak adlandırılıyor. Daha yoğun bağlantılı kübitler, hesaplama yapmak için gereken ek yükü yaklaşık 15 kat azaltıyor.
Nighthawk, kullanıcı odaklı paralel bir yol haritasında 2025'te piyasaya sürülecek. Temel tasarımındaki iterasyonlar 2028'e kadar yıllık olarak yayınlanacak ve her biri hatasız olarak daha fazla işlem yapmayı sağlayacak (bu yıl 5.000 geçit işleminden 2028'de 15.000'e çıkacak). Her bir Nighthawk işlemcisi 120 donanım kübiti barındıracak, ancak 2026'da bunlardan üçünün bir araya bağlanarak tek bir birim olarak çalışmasıyla 360 donanım kübitine ulaşılacak. Bunu 2027'de dokuz bağlı Nighthawk işlemcili bir makine izleyecek ve donanım kübiti sayısını 1.000'in üzerine çıkaracak.
Bisiklete Binmek Gibi
Ancak IBM donanımının asıl geleceği, donanım kübit sayılarının giderek önemsiz hale geleceği gelişim hattındaki işlemcilerde gerçekleşecek. Yayınlanan teknik bir belgede IBM, kullanacağı belirli LDPC kodunu tanımlıyor. Bu kod, detaylarındaki bazı silindirik simetriler nedeniyle bisiklet tekerleklerini andıran "iki değişkenli bisiklet kodu" (bivariate bicycle code) olarak adlandırılıyor. Bağlantıların detayları, bu hata kodunu pratikte kullanmak için gereken toplam resimden daha az önemli.
IBM, bu LDPC kodu biçiminin iki uygulamasını tanımlıyor. İlkinde, 144 donanım kübiti, 12 mantıksal kübiti ve hata kontrollerini gerçekleştirmek için gereken tüm ölçüm kübitlerini barındıracak şekilde düzenleniyor. Bir kodun hataları yakalama ve düzeltme yeteneğinin standart ölçüsü "mesafe" olarak adlandırılır ve bu durumda mesafe 12'dir. Alternatif olarak, aynı 12 mantıksal kübiti barındırmak için 288 donanım kübiti kullanan, ancak mesafeyi 18'e çıkararak hatalara karşı daha dirençli hale gelen bir kodu da tanımlıyorlar. IBM, bu mantıksal kübit koleksiyonlarından birini 2026'da Kookaburra adlı bir işlemci olarak kullanıma sunacak ve bu işlemci kararlı kuantum belleği sağlamak için kullanılacak.
Bunu takiben, bazı işlemler için gereken kuantum durumlarını üretebilen birkaç ek kübiti de içerecek bir paket gelecek. Bunlar ve kuantum belleği için gereken donanım, tek bir çip üzerine inşa edilmiş, herhangi bir kuantum algoritmasını uygulamak için gereken tüm işlemleri gerçekleştirebilen tek, işlevsel bir hesaplama birimini oluşturacak.
Bu birim, Cockatoo çipi ile birlikte ortaya çıkacak ve birden fazla işlem biriminin tek bir veri yolu üzerinden bağlanmasını sağlayarak mantıksal kübit sayısının 12'nin üzerine çıkmasına olanak tanıyacak. (Şirket, her birimdeki on iki mantıksal kübitten birinin diğer birimlerle dolaşıklığı sağlamak için kullanılacağını ve bu nedenle hesaplama için kullanılamayacağını belirtiyor.) Bunu takiben, birden fazla çip üzerinde dağıtılmış sınırlı sayıda mantıksal kübit üzerinde evrensel hesaplamalara olanak tanıyan Starling'in ilk test versiyonları gelecek.
Ayrı olarak, IBM, klasik hesaplama donanımında çalışacak sistemin önemli bir bileşenini tanımlayan bir belge yayınlıyor. Tam hata düzeltme, mantıksal kübitlerin durumunu ve yapılması gereken düzeltmeleri belirlemek için tüm ölçüm kübitlerinin durumundan türetilen sendrom verilerinin değerlendirilmesini gerektirir. Mantıksal kübitlerin karmaşıklığı arttıkça, değerlendirmenin hesaplama yükü de artar. Eğer bu değerlendirme gerçek zamanlı olarak gerçekleştirilemezse, hata düzeltilmiş hesaplamalar yapmak imkansız hale gelir.
Bunu ele almak için IBM, sendrom verilerinin paralel değerlendirmelerini gerçekleştirebilen bir mesaj ileten kod çözücü (message-passing decoder) geliştirdi. Sistem, geçmiş çözümlerin ağırlığını rastgeleleştirerek ve görünüşte en uygun olmayan çözümleri ek değerlendirme için yeni örneklere devrederek çözüm alanını daha fazla keşfediyor. Önemli olan, IBM'in bunun FPGA'lar (Alan Programlanabilir Kapı Dizileri) kullanılarak gerçek zamanlı olarak çalıştırılabileceğini tahmin etmesi ve böylece sistemin çalışmasını sağlamasıdır.
Bu detayların ötesinde daha birçok detay da var. Her bir hesaplama birimi arasındaki bağlantı – IBM buna Evrensel Köprü (Universal Bridge) diyor – bağlanan mantıksal kübitlerin her kod mesafesi için bir mikrodalga kablosu gerektiriyor. Ayrıca IBM'in, "soğuk CMOS" (cold CMOS) olarak adlandırdıkları ve 4 Kelvin'de çalışabilen soğutma donanımının içinde çalışabilecek kontrol donanımı geliştirdiği de belirtiliyor.
IBM tarafından yayınlanan görseller, Starling'in bir dizi soğutma ünitesinin tek bir bağlantı sistemiyle bir araya geldiği bir mimariye sahip olacağını gösteriyor.
Bu gelişmenin dikkat çekici yanı, bireysel kübitlere, bağlantılarına ve hata oranlarına odaklanmaktan bir kaymayı işaret etmesi. Hata donanımı oranları (4 x 10-4), bunun çalışması için artık yeterince iyi, ancak daha fazla iyileştirme beklendiği de belirtiliyor. Bağlantı ise artık tamamen işlevsel bir hesaplama birimi oluşturmaya yönlendirilecek.
Bununla birlikte, IBM'in yol haritasında Starling'in ötesinde hala çok yer var. Vaat ettiği 200 mantıksal kübit, bazı problemleri çözmek için yeterli olacak, ancak şifrelemeyi kırmak gibi karmaşık algoritmaları gerçekleştirmek için yeterli değil. Bu, 2033'te 2.000 mantıksal kübite sahip olması beklenen Blue Jay gibi bir sistemi beklemeyi gerektirecek. Ve şu an itibarıyla, Starling'in ötesinde listelenen tek şey Blue Jay.
