Kuantum bilgisayarların, geleneksel sistemlerin ötesinde yeteneklere sahip olması bekleniyor. Ancak bu üstünlüklerini kanıtlamak, sonuçlarının kontrol edilmesi klasik makineler için bile zorlayıcı olabileceğinden, şaşırtıcı derecede karmaşık bir süreç. Bu durum, 'kuantum doğrulama problemi' olarak biliniyor.
Bu zorluğun üstesinden gelmek için geliştirilen yenilikçi bir yöntem ise, iki tür sistemi de test eden bir oyun üzerine kurulu. Oyunun kritik noktası şu: Klasik bilgisayarların performans gösterebileceği matematiksel olarak kanıtlanmış bir sınır var.
Bilgisayar bilimcilerinden oluşan bir ekip tarafından yürütülen yeni bir deneyde, bu oyun tuzağı-iyon kuantum sistemi üzerinde çalıştırıldı ve sonuçlar limitleri kolaylıkla aştı. Deneyin zorluk seviyesi arttıkça, kuantum sisteminin performansı ile klasik bilgisayarların ulaşabileceği en iyi performans arasındaki farkın daha da açıldığı gözlemlendi.
Kuantum bilgisayarların bu sıra dışı yetenekleri, en küçük ölçeklerdeki parçacıkları yöneten tuhaf fiziğin bir sonucu. Klasik bilgisayarlarda bilgiler 0 veya 1 olarak temsil edilirken, kuantum bilgisayarların temel birimi olan kübitler, ölçülene kadar hem 0 hem de 1 durumlarının süperpozisyonunda bulunabiliyor. Ölçüm anında bu süperpozisyon çöküyor ve tek bir sonuç elde ediliyor.
Bu süperpozisyonun matematiksel yapısı, hesaplama açısından muazzam bir güç sağlıyor. Bu sayede kuantum bilgisayarlar, geleneksel bilgisayarlar için aşırı derecede zorlu olan bazı problemleri hızla çözebiliyor.
Araştırmacılar, bu hesaplama gücünü test etmek amacıyla, 'tamamlayıcı örnekleme' adı verilen bir hesaplama görevine dayanan bir oyun tasarladılar. Oyunun mantığı şöyle: Bir problemin olası tüm cevapları gizlice iki eşit gruba ayrılıyor: A ve B. Size A grubundan rastgele seçilmiş bir cevap veriliyor ve B grubundan bir cevap döndürmeniz isteniyor.
Klasik bir bilgisayar için bu bilgi yeterli değil. Aldığı cevabın A grubundan olduğunu biliyor ve onu geri vermemesi gerektiğini anlıyor. Ancak diğer olası cevapların hangisinin A, hangisinin B grubuna ait olduğunu bilmiyor. Olası cevap sayısı arttıkça, bu tek bilgi parçacığının değeri de azalıyor. Araştırmacılar, klasik bilgisayarların kullanabileceği en iyi stratejinin performansını matematiksel olarak kanıtlayabildiler.
Kuantum bilgisayarlar ise bu oyunu çok farklı kurallara göre oynuyor. Süperpozisyondaki bir kübit, ölçülene kadar aynı anda her iki durumda da bulunabildiği için, kuantum bilgisayarı tek bir örneğe indirgenen cevaba karşılık, tüm A kümesini süperpozisyon halinde içeren bir durumu alabiliyor. Daha da önemlisi, bu süperpozisyonu ölçmeden önce manipüle edebiliyor. Araştırmacıların 'swapper' devresi olarak adlandırdığı bir yöntemle, kuantum bilgisayarı A kümesini temsil eden durumu, B kümesini temsil eden bir duruma dönüştürüyor. Sadece bu işlemden sonra durumu ölçerek B grubundan bir cevap üretiyor. İdeal, hatasız bir kuantum sisteminde bu strateji her seferinde kazanır.
Klasik bir bilgisayar için bu görev katlanarak daha zor hale geliyor. Gelen durumu ölçerek A grubundan rastgele seçilmiş tek bir cevap alması, ardından B grubundan bir cevap döndürmeye çalışması gerekiyor. Bu durum, iki sistemin yetenekleri arasında devasa bir uçurum yaratıyor.
İdeal bir kuantum sistemi her turu kazansa da, en iyi klasik stratejinin avantajı, bit sayısının - dolayısıyla olası cevap sayısının - artmasıyla katlanarak azalıyor. Bu durum sadece daha akıllı bir klasik algoritma bulunamamasıyla değil, aynı zamanda hesaplamanın ne kadar zor olacağına dair varsayımlara dayanmayan, matematiksel olarak kanıtlanmış bir sınırla ilgili.
Bu, araştırma ekibine alışılmadık derecede değerli bir şey sundu: Cevapları kolayca doğrulanabilen ancak klasik performansının kesin bir üst sınırı olan bir test. Ekip bu testi gerçek bir kuantum bilgisayar üzerinde denedi.
Araştırmacılar, tamamlayıcı örnekleme oyununu Quantinuum'un H2 tuzağı-iyon kuantum bilgisayarlarında binlerce farklı devreyi kullanarak ve deneylerini 55 kübite kadar ölçekleyerek yürüttüler. Gerçek makineler elbette teorideki kadar mükemmel değildi. Deneyler büyüdükçe ve daha fazla kuantum işlemi gerektirdikçe, donanım gürültüsü performanslarını giderek bozdu.
Ancak kuantum sistemi tutarlı bir şekilde klasik sınırı aştı. Her deneyde kuantum bilgisayarı, sonuçları herhangi bir klasik stratejinin başarabileceği şeylerle istatistiksel olarak tutarsız olacak kadar iyi bir skor elde etti. Daha da iyisi, problem zorlaştıkça aradaki fark arttı. Deneysel olarak gözlemlenen avantaj, bit dizisi uzunluğuyla katlanarak arttı ve en iyi kuantum stratejisinin beklenen davranışını, tam olarak eşleşmese de yakından takip etti.
En büyük ölçekte test edilen 37-bit dizilerde sistem teorik ideal performansa tam olarak ulaşamadı, ancak araştırmacılar sonuçların hala "klasiklikte katlanarak büyük bir ihlal" gösterdiğini belirtiyor.
Bu deneyin bazı sınırlılıkları var. Başlangıç cevabını seçen "hakem" ve onu analiz edip tamamlayıcıyı veren "oyuncu" aynı kuantum bilgisayarda uygulandı ve aralarındaki iletişim kanalını simüle etmek için kuantum dolanıklık kullanıldı. Daha titiz bir gelecekteki test, bu bileşenleri gerçek bir kuantum iletişim kanalıyla bağlı ayrı kuantum bilgisayarlara yerleştirecektir.
Ancak bu, bir sonraki deney turunda aşılabilecek bir engeldir. Şimdilik bu sonuç, doğrulanması verimli, ölçeklenebilir ve en önemlisi klasik bilgisayarların ne yapıp ne yapamayacağına dair kanıtlanmamış varsayımlara dayanmayan, kuantum donanımını test etmek için yeni bir yol sağlayarak bir kavram kanıtı sunuyor.
Araştırmacılar, "Testimiz, kuantum süperpozisyonunun dolanıklık ve yerellikten bağımsız bir şekilde gücünü gösteriyor." diye yazıyorlar. Bulgular, Nature Communications dergisinde yayınlandı.
