Kuantum bilgisayarların, klasik bilgisayarların çözmekte zorlandığı birçok karmaşık problemi çok daha hızlı çözebileceği matematiksel olarak kanıtlanmış durumda. Ancak günümüzdeki kuantum bilgisayarları ya bu algoritmaları çalıştıramıyor ya da yalnızca klasik bilgisayarların da başa çıkabildiği basitleştirilmiş versiyonlarını çalıştırabiliyor. Bu durum, alanın önünde zorlu bir soru bırakıyor: Günümüzün gürültülü ve sınırlı donanımlarıyla kuantum bilgisayarlarının vaatlerini gösterebilir miyiz?
Bu soru, ilk bakışta göründüğünden daha karmaşık. Eğer günümüzdeki klasik bilgisayarların ulaşamayacağı bir sonuç elde ederseniz, doğru sonucu elde edip etmediğinizi doğrulamanız mümkün olmayabilir. Ayrıca, günümüz kuantum bilgisayarlarının bir miktar hataya eğilimli olduğunu göz önünde bulundurursak, yanlış sonuç alma olasılığı da göz ardı edilemez. Dahası, kuantum donanımının yeteneklerine dair matematiksel bir kanıt olmadan, daha iyi bir klasik algoritmanın kuantum donanımından daha iyi performans gösterebileceği ihtimali de mevcut.
Bu sorunlar, IBM'i bir kuantum avantaj izleyicisi başlatmaya teşvik etti. Şirket, geçtiğimiz günlerde, her biri hatalarla başa çıkma ve kuantum sonuçlarını doğrulama konusunda farklı yaklaşımlar kullanan, kuantum avantajını net bir şekilde gösterdiğini iddia ettiği üç yeni gelişmeyi duyurdu. IBM'den yapılan açıklamada, "Klasik simülasyonların mümkün olduğu durumlarda güvenilir hesaplama alakasızdır. Klasik simülasyonların mümkün olmadığı durumlarda güvenilir hesaplama büyük önem taşır." denildi.
Bu gelişmelerin hiçbiri şu an için doğrudan kullanışlı olmasa da, doğru yönde ilerlediğimizin ipuçlarını taşıyor.
Güven, ama doğrula
Bu noktada, kuantum avantajına dair birçok iddia ortaya atıldı ve en az bir tanesinin kullanışlı olma potansiyeli taşıyor. Ancak bazı yüksek profilli durumlarda, algoritma geliştiricileri, avantajı ciddi şekilde azaltan ve klasik bilgisayarları tekrar dengeleyen optimize edilmiş algoritmalar geliştirdi. Diğer bir sorun ise doğrulama. Kuantum bilgisayarınız, tek bir işlem kümesinin varyasyonlarını tekrarlayarak istatistiksel bir örüntü oluşturuyorsa, sistematik bir hata çıktıyı yanlı hale getirebilir ve bunu kontrol etmek için klasik bir bilgisayar kullanamayabilirsiniz.
Bu sorunlar genellikle daha az sayıda kübit (qubit) kullanarak basitleştirilmiş hesaplamalar yapmak ve sonuçları klasik donanımla doğrulamak suretiyle ele alınır. Eğer bu işe yararsa, algoritmanın daha fazla kübit ile çalıştırıldığında da çalışmaya devam edeceği varsayılır. Ancak bu tek seçenek değil. Bazı algoritmalar, hesaplanması zor ancak doğrulanması kolay sonuçlar üretebilir; örneğin, iki büyük asal sayının çarpımının çarpanlarına ayrılması.
Ne yazık ki, günümüz donanımlarında çalıştırılabilecek bir hesaplama tanımlanmışsa, bu bilgim dahilinde değil. Bu nedenle bilgisayar bilimcileri yaratıcı çözümler bulmak zorunda kaldı. Ve aslında, bugünkü duyurunun özü de budur: Günümüz işlemcilerinin hataya eğilimli olma gerçeğiyle başa çıkmanın üç yaratıcı yolu.
Yeni çabalardan biri, IBM, Japonya'dan RIKEN ve mevcut kuantum işlemcilerindeki hataları azaltmaya yardımcı olan yazılımlar geliştiren küçük bir şirket olan Qedma arasındaki bir işbirliğiydi. Çalışma, bir sistemin salındığı ve davranışını kademeli olarak değiştiren harici bir kuvvete maruz kaldığı bir Floquet sürecini modellemeye odaklanıyor. Sürtünme nedeniyle yavaşlayan bir sarkaç düşünün.
Bu tür süreçler kuantum sistemlerinde de meydana gelebilir ve Qedma ekibi, her birinin yönünün komşularını etkileyebildiği varsayımsal bir mıknatıs ızgarası olarak düşünülebilecek bir Ising modelini modelledi. Kurulumdan sonra, yönler komşu mıknatısların zıt yönelimlere sahip olduğu düşük enerjili bir konfigürasyon bulmaya çalıştıkça periyodik olarak salınmaya başlayacaktır. Bu salınımlar sırasındaki sistemin ara durumlarını modellemenin karmaşıklığı, daha fazla mıknatıs eklendikçe artar.
Bu nedenle Qedma, mevcut kuantum donanımına sığacak kadar büyük olmayan bir şeyi modellemeyi seçti, ardından RIKEN ile beş yıl önce dünyanın en güçlü bilgisayarı olan Fugaku süper bilgisayarında iki farklı klasik algoritma çalıştırmak için çalıştı. Klasik algoritmalar, zamanla birbirinden uzaklaşan cevaplar üreterek bir şeylerin yanlış olduğunu açıkça gösterdi (biri net manyetizmanın azaldığını, diğeri arttığını gösteriyordu).
Qedma'nın hata azaltma yazılımıyla bir IBM kuantum işlemcisinde çalıştırıldığında, algoritma tamamen farklı bir şey gösterdi: manyetizmde periyodik salınımlarla kademeli bir azalma. Bir klasik algoritma salınımları yakaladı ancak manyetizmanın arttığını gösterdi, diğeri ise salınımlar olmadan çok daha hızlı azaldığını gösterdi.
Bunun IBM donanımındaki tutarlı bir hatanın ürünü olmadığından emin olmak için ekip, bir Quantinuum işlemcisine başvurdu ve çıktısını doğruladı. Ayrıca en az bir kuantum algoritmasındaki bir sorunu belirlediler: performansı artırmak için, salınımlı davranışı üretmek için gereken bazı terimleri kesiyordu.
Üstel olarak zor
Diğer yeni bir makale, IBM ve Chicago Üniversitesi'ndeki araştırmacılar arasındaki bir işbirliğinden geliyor. Prensip olarak yukarıda belirtilen algoritmalardan birine benziyor: Farklı çıktıların istatistiklerini anlamaya yönelik bir sonuç örneği elde etmek için bir algoritmanın varyasyonlarını birden çok kez tekrarlıyor. Algoritma bir kuantum bilgisayarında çalıştırıldığı için, farklı sonuçlar birbirini etkileyebilir ve klasik donanımda simüle edilmesi zorlaşır. Klasik makinelerde birkaç kez çalıştırılabilir, ancak çıktının makul istatistiklerini elde etmek için yeterli değildir.
Bu durumda ekip, bir çift önemli varyasyon yaptı. Birincisi, çoğunlukla klasik donanımda simüle edilmesi nispeten kolay olan Clifford kapıları adı verilen işlemleri gerçekleştirmeleriydi. Ancak araya, özellikle hata yapmaya daha az eğilimli oldukları için seçilen belirli bir türde birkaç Clifford olmayan kapı (özellikle T kapıları) serpiştirdiler. Makalede, "Z döndürmeleri (T kapıları dahil) donanımımızda özeldir: sanal çerçeve takibi ile uygulanır ve ek gürültü eklemez." denildi.
Ancak T kapıları, bunun klasik bir bilgisayar tarafından simüle edilmesinin özellikle zor olmasını da sağlıyor. Gambetta, "[T kapıları] nedeniyle daha güçlü bir karmaşıklık argümanına sahip, ortalamada bir klasik bilgisayar için örneklemek üzere üstel olarak zor olduğunu kanıtlayabilirsiniz." dedi. Bu, klasik algoritmaların yetişmesini çok zorlaştıracaktır.
Çalışma ayrıca, algoritma için kullanılanların çevresine birkaç ek kübiti bağladı, öyle ki işlemler sırasında gerçekleştirilen nazik ölçümler hataların olup olmadığını tespit edebiliyordu; eğer tespit edilirse, sonuçlar atıldı. (Bu, ek kübitlerin hatalı okunmasıyla işaretlenen geçerli sonuçları da atacağı unutulmamalıdır.)
Sonuç, "zor örnekleme problemlerinin geniş çıktı istatistiklerini hata tespiti ve doğruluk sertifikası için kullanılabilecek devre yapısıyla birleştiren" bir algoritma oldu.
Yeni sonuçlardan sonuncusu, Google'ın "kuantum yankıları" çalışmasına benzer bir algoritma kullanan kuantum yazılım geliştiricisi Algorithmiq'den geliyor. Bir dizi kapı önce bir kuantum sistemini değiştirir, ardından süreç tersine çevrilir. Tersine çevirme sırasında gerçekleştirilen ek işlemler, sistemin orijinal durumuna dönmesini engeller - bunun yerine gürültü, ileri işlemin kusurlu bir "yankısını" oluşturur. Önceki çalışmalardan birinde olduğu gibi, bu durumu klasik donanımda simüle etme girişimleri bazı basitleştirmeler gerektirir ve farklı basitleştirme yöntemleri farklı sonuçlar verir. Dolayısıyla, doğası gereği problem, klasik donanımın erişiminin ötesindedir.
Makalenin arkasındaki ekip, sistemdeki tüm gürültüyü gidermek için çalışmaya başladı. Kuantum işlemcisinin en düşük gürültüye sahip belirli bir alanını seçerek başladılar ve hesaplama sırasında herhangi birinin uygunsuz şekilde değiştirilip değiştirilmediğini belirlemek için komşu kübitleri kullandılar, bu da bir şeylerin yanlış gittiğini gösteriyordu. Ayrıca kübitlere gönderilen kontrol sinyallerini ve gürültüyü bastırması gereken diğer teknikleri optimize ettiler.
Ardından, kasıtlı olarak gürültü enjekte ettiler, bunun sonuçlarını nasıl değiştirdiğini belirlediler ve olmadan mevcut gürültü miktarına dair bir tahmin sağladılar. Ayrıca tüm süreci, farklı bir gürültü desenine sahip olması gereken ayrı bir IBM işlemcisinde tekrarladılar. Tüm bunlar, hesaplamalarına bir hata oranı belirlemelerine olanak tanıdı - hala bir miktar gürültü olabilir, ancak hesaplayabilecekleri bir değerin altında olması gerektiğini biliyorlar.
Sonraki adımlar
Bu çalışmaları birçok farklı şekilde görebilirsiniz. Sinik bir yaklaşımla, bu algoritmaların hiçbirinin gerçek anlamda kullanışlı olmadığı kesinlikle doğrudur. Kuantum sistemlerinin davranışını modelleyenler bile gerçek dünya sistemlerini yansıtmayan inanılmaz derecede basitleştirilmiş modeller kullanıyor. Ayrıca, geçmişte kuantum avantajına dair bazı iddiaların, araştırmacıların klasik algoritmaları iyileştirmesiyle ayakta kalmadığını ve bunun burada da gerçekleşebileceğini belirtmekte fayda var.
Son olarak, bu tür algoritmalar - sorunlu gürültü oranlarına sahip donanım kübitleri üzerinde doğrudan hesaplamalar yapmak - birkaç yıl içinde, makul sayıda hata düzeltilmiş kübite sahip olmaya başladığımızda ortadan kalkacaktır. Hatta birçok şirket, oraya ulaşana kadar halka açık donanım sunmayı ertelediğini belirtmiştir.
Daha az sinik bir bakış açısı ise, donanımın mevcut olması ve bilgisayar bilimcilerinin sınırlarını keşfetmek ve sistemleri alabildiğine zorlamakla ilgilenmemesi için bir nedenin olmamasıdır. Algoritmaların kendileri kullanışlı olmasa da, onlar için geliştirilen teknikler - gürültüyü en aza indirmek, doğasını anlamak ve onu kötüleştiren eylemleri belirlemek - hata düzeltme yeteneğine sahip donanımlarda performansı artırmak için hala kullanışlı olabilir. Ve eğer gürültülü makineler için algoritmalar geliştirmiyorsak, kullanışlı olanlardan herhangi birini bulma olasılığımız düşüktür.
Yine de, sonuçları doğal bir ilerlemenin bir parçası olarak görmek muhtemelen en iyisidir. Kuantum avantajına dair ilk iddia dalgası, araştırmacılar klasik olarak yapılması zor bir şeyi yapacak kadar kübite sahip donanıma sahip olmaktan sadece heyecan duyduklarında geldi. Bu yeni çabalar ayrı bir dalganın parçasıdır; insanlar artık sonuçların yüksek kalitede olduğunu titizlikle sağlamaya çalışıyor. Bir sonraki adım, gerçek dünya etkileri olan algoritmalar bulmak için bu daha yeni çabalardan yararlanmanın yollarını keşfetmek olacaktır.
Gambetta, "Yani iki uç noktanız var," dedi. "Daha önceki birkaç sonuçta, gerçek malzemeleri kuantum bilgisayarlarla karşılaştırıyorlardı, ancak klasik yöntemlerin hala işe yaradığı bir bölgede. Şimdi, klasik yöntemlerin işe yaramadığı bir rejimde oyuncak modelleriniz var, ancak kuantum olanına güvenebileceğimi garanti edebilirim."
Bir sonraki adımı atmak, alanın en çok heyecanlandığı şeydir. Gambetta, "Kutsal Kase, gerçek bir malzemeyi veya gerçek bir deneyi bir kuantum bilgisayarla karşılaştırmaktır." dedi.
Üç arXiv belgesine bağlantıları, sonuçlarla ilgili IBM'in blog gönderisinde bulabilirsiniz. Bunlar ve klasik sistemleri alt etme girişimleri, avantaj izleyicisi sitesinde barındırılmaktadır.
