Kuantum bilgisayarların geliştirilmesinde iyon veya atom tabanlı donanımlar, kendi içlerinde büyük bir avantaja sahip: Donanımın kendisi fabrikasyonla üretilmiyor, bu da cihazdan cihaza farklılıkları ortadan kaldırıyor. Her atom aynıdır ve her seferinde benzer performans göstermelidir. Ayrıca, kübitlerin (kuantum bit) yerleri değiştirilebildiğinden, teorik olarak sistemdeki herhangi bir atom veya iyon diğerleriyle dolaşık hale getirilebilir. Bu durum, algoritmaların ve hata düzeltme yöntemlerinin uygulanmasında büyük bir esneklik sağlıyor.
Tutarlı, yüksek doğruluklu performans ile her kübitin diğerleriyle bağlantılı olabilmesi, kuantum hesaplama alanındaki birçok önemli gösterimin iyon tuzaklama donanımları üzerinde yapılmasının arkasındaki ana sebep olmuştur. Ancak, bu donanımlar, diğer teknolojilerde görülen yüzden fazla kübit sayısına kıyasla, nispeten düşük kübit sayılarıyla (birkaç düzine) sınırlı kalmıştır. Çarşamba günü, Quantinuum adlı bir şirket, kübit sayısını önemli ölçüde artıran ve operasyonlarını yönetmek için bazı ilginç teknolojiler kullanan yeni bir iyon tuzağı donanımı sürümünü duyurdu.
İyon Tuzaklama ile Hesaplama
Hem nötr atom hem de iyon tuzağı bilgisayarları, kübitlerini çekirdeğin spininde depolar. Bu spin, çekirdeğin etrafındaki elektron bulutu tarafından çevreden nispeten korunur, bu da bu kübitlere nispeten uzun bir koherans süresi kazandırır. Nötr atomlar bir lazer ağı tarafından yerinde tutulurken, iyon tuzakları iyonun yüküne dayalı elektromanyetik kontrol ile manipüle edilir. Bu, donanımın temel bileşenlerinin standart elektronik üretim teknikleri kullanılarak üretilebileceği, ancak manipülasyon ve okuma için hala lazerlere ihtiyaç duyulduğu anlamına gelir.
Elektronikler statik olsa da (nerede üretildiyse orada kalır), iyonları hareket ettirmek için kullanılabilirler. Bu, atomların hareket edebileceği yol izlerinin buna izin verdiği sürece, herhangi iki iyonun birbirine yakın getirilip dolaşık hale getirilebileceği anlamına gelir. Bu her kübitin diğerleriyle bağlantılı olabilme yeteneği, donanımdaki kübitler üzerinde doğrudan gerçekleştirilen algoritmaların daha verimli uygulanmasını veya karmaşık bir bağlantı geometrisi gerektiren hata düzeltme kodlarının kullanılmasını sağlayabilir. Microsoft'un bir tesseract tabanlı hata düzeltme kodunu göstermek için bir Quantinuum makinesi kullanmasının nedenlerinden biri de budur.
Ancak, her iki kübitin de birbirinin yanına gelebilmesini sağlayacak yol izlerini düzenlemek giderek daha karmaşık hale gelebilir. İyonları hareket ettirmek nispeten yavaş bir süreçtir, bu nedenle bir çipin uzak uçlarından iki iyonu çok sık almak, sistemin kübitlerin koherans süresinin sınırına ulaşmasına neden olabilir. Uzun vadede Quantinuum, birçok şehrin sokak düzenini anımsatan kare bir ızgara düzenine sahip çipler üretmeyi planlıyor. Ancak bunu başarmak, iyon akışını dört yönlü kavşaklardan kontrol etme konusunda ustalık gerektirecektir.
Quantinuum'un Helios adını verdiği yeni çipiyle kısmen yaptığı da tam olarak budur. İki iyon depolama alanını birbirine bağlayan tek bir kavşağa sahiptir. Bu, iyonların çipin bir ucundan diğerine akışıyla işlemlerin gerçekleştirilmesini sağlar. Ayrıca, önceki donanımına göre önemli ölçüde daha fazla kübite sahiptir; performans kaybı yaşanmadan 56'dan 96 kübite yükselmiştir. Quantinuum Başkan Yardımcısı Jenni Strabley, "İki kübit kapı doğruluğunu koruduk, hatta iyileştirdik," dedi. "Yani daha büyük ve daha büyük boyutlara geçerken iki kübit kapı doğruluğunda herhangi bir bozulma görmüyoruz."
Döngü Yapmak
Aşağıdaki görüntü, donanımdaki atomların floresansından alınmıştır. Görüldüğü gibi, düzen iki ana özellik tarafından domine ediliyor: Solda bir döngü ve sağa uzanan iki bacak. Bunlar dört yönlü bir kavşakla birbirine bağlanıyor. Quantinuum personeli, bu kavşağın bilgisayarın işleyişi için merkezi olduğunu belirtti.
Sistem, iyonları döngü etrafında döndürerek çalışır. Bir iyon kavşağa ulaştığında, sistem onu bacaklardan birine yönlendirmeye karar verir ve eğer öyleyse hangi bacağa. Quantinuum'un Hesaplamalı Tasarım ve Teori Direktörü David Hayes, "Bu halkayı adeta bir sabit disk gibi döndürüyoruz ve kapı uygulaması yapmak istediğimiz iyon kavşağa yaklaştığında bir karar veriliyor: Ya o iyon [bacaklara] giriyor ya da hafif bir dönüş yapıyor ve halkaya geri dönüyor," dedi. "Ve bu kararı oradaki X noktasının hemen yanındaki birkaç elektrotla verebilirsiniz."
Her bacakta işlemlerin gerçekleştirilebileceği bir alan bulunur. Bu sayede sistem, iki kübit kapıları gibi işlemler için doğru kübitlerin işlem alanlarında bir araya gelmesini sağlayabilir. İşlemler tamamlandıktan sonra, kübitler bacak depolama bölgelerine taşınabilir ve yeni kübitler buraya aktarılabilir. Bacaklar dolduğunda, kübitler döngüye geri gönderilebilir ve işlem yeniden başlatılabilir.
Hayes, "Tüm trafik tek yönde kapı bölgelerinden geçtiğinde trafik sıkışıklığı azalır," diye belirtti. "Onları birbirlerinin yanından geçirmeniz gerekseydi, fiziksel değişimler yapmanız gerekirdi ve bundan kaçınmak istersiniz."
Elbette, en basit işlemlerden daha fazlası için donanımı kontrol edecek tüm komutları vermek oldukça zor olacaktır. Bu durum, bir kuantum bilgisayarın ne yapmasını istediğiniz ile bunu uygulamak için gereken gerçek donanım komutları arasında önemli bir soyutlama katmanı ekleyen derleyicilere olan vurguyu artırıyor. Quantinuum, kullanıcı tarafından oluşturulan kodu alıp kontrol sisteminin ihtiyaç duyulan komut dizisine dönüştürebileceği bir derleyici geliştirmiştir.
Kontrol sistemi artık Helios'tan gelen verileri okuyup kübitlerin durumuna göre gönderdiği komutları güncelleyebilen gerçek zamanlı bir motor içeriyor. Quantinuum, sistemin bu bölümünü özel donanım gerektirmeyen GPU'lar üzerinde çalıştırıyor.
Quantinuum'un kullanıcılar için Guppy adını verdiği SDK'sı Python tabanlıdır ve kullanıcılara sistemin ne yapmasını istediklerini tanımlamalarına olanak tanıyacak şekilde değiştirilmiştir. Helios'a, FOR döngüleri ve IF tabanlı koşullar gibi geleneksel programlama araçlarını içeren yeni bir Guppy sürümü eşlik ediyor. Bunlar, hata düzeltme kübitlerine doğru ilerlerken yapmak istediğimiz işler için kritik öneme sahip olacaktır. Bu, hataları test etmeyi, varsa düzeltmeyi veya hatasız olana kadar başlatmayı tekrarlamayı içerir.
Hayes, yeni sürümün hata düzeltmeye doğru ilerlediğini de söyledi. Guppy'nin kübitleri dinamik olarak yeniden atama yeteneği sayesinde Helios, 94 kübitli bir makine olarak çalışırken herhangi birindeki hataları tespit edebilecek. Alternatif olarak, 96 donanım kübiti, 48 hata düzeltilmiş kübit barındıran tek bir birim olarak yapılandırılabilir. Hayes, "Aslında iç içe geçmiş bir kod. İki hata tespit kodunu birbirine örüyoruz... bu tek bir kod bloğu, ancak içinde 48 mantıksal kübit barındırıyor," dedi. (Hayes, bunun bir mesafeli kod olduğunu, yani aynı anda iki hatayı düzeltebildiğini belirtti.)
Süperiletkenliği Ele Almak
Quantinuum donanımı her zaman rakiplerine göre düşük hata oranlarına sahip olsa da, 56 kübitle yapılabileceklerin bir sınırı vardı. Şimdi 96 kübite sahip olan şirket araştırmacıları, süperiletkenliğe geçiş sırasında gerçekleşen elektron eşleşmesini incelemeye yardımcı olmak için tasarlanmış bir modelin kuantum uygulamasını (Fermi-Hubbard modeli) yapmaya karar verdiler.
Quantinuum'dan Henrik Dreyer, "Modelin yakalayamadığı kesinlikle terimler var," diye kabul etti. "Hala negatif yüklü oldukları için elektronların birbirini itmesini ihmal ediyorlar. Modelin yakalayamadığı kesinlikle terimler var. Diğer yandan, bu Fermi-Hubbard modelinin bir süper iletkenin sahip olduğu birçok özelliğe sahip olduğunu söylemeliyim."
Süperiletkenlik, elektronların Cooper çiftleri adı verilen yapıları oluşturmak için bir araya gelerek normal itilmelerini aşmasıyla gerçekleşir. Ve model, aynı malzemedeki normal iletkenlikten bunu ayırt edebilir.
Dreyer, bir iletkeni simüle ederken ne olduğunu tanımlayarak, "'Yüklenmiş parçacıklardan birinin kuantum dalgalanmaları nedeniyle aniden ortadan kaybolup buraya gitme olasılığı nedir?' diye soruyorsunuz. Süper iletkenlikte insanlar bu konsepti alıyorlar, ancak tek bir yüklü parçacığın oraya rastgele tünelleme olasılığını sormak yerine, bir çiftin rastgele tünelleme olasılığını soruyorlar," dedi.
Ancak, basitleştirilmiş haliyle bile, bu hala kuantum sisteminin bir modelidir ve bununla birlikte gelen tüm hesaplama karmaşıklığına sahiptir. Bu nedenle Quantinuum ekibi, klasik bilgisayarların zorlandığı birkaç sistemi modelledi. Biri, çoğu klasik simülasyonun yaptığı daha büyük bir atom ızgarasına bakmaktı; bir diğeri, bir malzemenin katmanlarını modelleyerek ızgarayı ek bir boyutta genişletti. Belki de en karmaşık simülasyon, doğru dalga boyundaki bir lazer darbesinin oda sıcaklığında bir süper iletkene çarptığında ne olduğu, bu olayın kısa süreliğine süper iletken bir durum indüklemesiydi.
Ve sistem, hata düzeltmesi olmadan bile sonuçlar üretti. Dreyer, "Belki teknik bir nokta ama bu uygulama için henüz tam olarak anlaşılamayan bir nedenden dolayı, üzerinde çalıştığımız devrelerin hepsinde hatalar vardı," dedi. "Belki ortalama üç civarında hata vardı ve garip bir şekilde, bu bazı durumlarda önemli değil. Bazı durumlarda hala neredeyse mükemmel bir sonuç elde ediyorsunuz."
Bununla birlikte, daha yüksek doğruluklu donanımın, ekibin sistemi bir temel duruma yerleştirme veya simülasyonu daha uzun süre çalıştırma konusunda daha iyi bir iş çıkarmasına yardımcı olacağını da belirtti. Ancak bunlar gelecekteki donanımları beklemek zorunda kalacak.
Sıradaki Ne Var?
Quantinuum'un gelecekteki donanımı için yol haritasına bakacak olursanız, Helios türünün sonuncusu olarak görünecektir. Kendisi ve daha önceki işlemci sürümleri döngülere ve büyük düz şeritlere sahipken, gelecekteki her şey karelerden oluşan bir ızgara içeriyor. Ancak hem Strabley hem de Hayes, Helios'un birkaç önemli geçiş özelliği olduğunu belirtti. Strabley, "Bu iyonlar, bir devre boyunca defalarca bu kavşaktan geçiyorlar," dedi. "Bu, kavşağın güvenilirliği üzerinde çalışmamızı sağladı ve bu büyük ölçekli sistemlere aktarılacak."
Gelecekteki işlemcilerde görülen karelerden oluşan koleksiyon, Helios'un döngü ve bacaklarıyla aynı tür işlemlerin yapılmasını sağlayacaktır. Bazı kareler depolama ve sıralama açısından döngüye eşdeğer olarak hizmet verebilirken, yakındaki bazı düz çizgiler işlemler için kullanılabilir.
Hayes, "Her ikisi için de ortak olacak şey, depolama ve sıralama bölgesi olabilmesi ve yan tarafta bunların birbirinden ayrılmış kapı bölgeleri olabilmesi konsepti olacak," dedi. "Henüz kamuya açık değil, ancak yönümüz bu: 2B ızgaralarda çok hızlı sıralama yapabileceğiniz bir depolama bölgesi ve ardından paralelleştirilebilir mantıksal işlemlere sahip kapı bölgeleri."
Bu arada, Helios'ta iyileştirmeler görmemiz muhtemeldir; bugünkü sürümde tam olarak yer bulamayan fikirler. Strabley, "Her zaman insanların yapmak istediği bir iyileştirme daha vardır ve ben de 'Hayır, şimdi gidiyoruz. Bunu piyasaya süreceğiz ve insanlar kullanacak,' diyen kişiyim," dedi. "Bu nedenle, performansı artırmak için ekleyeceğimiz birçok şey var. Helios süresi boyunca performansın giderek daha iyiye gideceğini bekleyin."
Bu performans muhtemelen süperiletkenlik üzerine yapılan ilk çalışmalar veya Google tarafından yakın zamanda açıklanan ve klasik bilgisayarların başa çıkabildiği veya biraz ötesindeki algoritmalar için kullanılacaktır ve bazı faydalı içgörüler sağlamaya başlayabilir. Ancak kuantum hesaplamanın vaatlerinden bazılarını yerine getirmesini görmemiz için hala bir veya iki nesil gerekecek.
