Kuantum hesaplama alanındaki gelişmeleri yakından takip ediyorsanız, kuantum bilgisayarların temelini oluşturan kübitlerin her iki enerji seviyesi arasında gidip gelebilen herhangi bir kuantum sistemiyle oluşturulabileceği fikri tanıdık gelebilir. Atomlar, iyonlar, fotonlar, elektronlar ve insan yapımı cihazlar gibi pek çok farklı teknoloji bu alanda kendine yer buluyor. Bu teknolojileri cazip kılan en önemli faktörlerden biri ise ölçeklenebilirlik potansiyelleri. Karmaşık hesaplamalar yapabilmek için çok sayıda yüksek kaliteli kübite ihtiyaç duyacağız ve her teknolojinin bu ihtiyacı karşılama kabiliyeti sürekli olarak tartışılıyor.
Bazı teknolojiler binlerce kübiti destekleyebilirken, diğerleri hala az sayıda kübit üzerinde çalışıyor. Ancak bu teknolojilerin geliştiricileri, daha etkili ölçeklenme potansiyeline sahip olduklarına inanıyor.
Bu teknolojilerden biri, tek bir elektronu barındıran kuantum noktalarını kullanıyor. Bu yaklaşımın avantajı, geleneksel işlemcileri üretmek için kullandığımız teknolojilerle aynı yöntemlerle üretilebilmesi, bu da ölçeklenebilir bir yaklaşım olduğunu gösteriyor. Bu hafta, kuantum noktalarının farklı kullanım şekillerini açıklayan iki yeni makale yayımlandı. Bunlardan biri o kadar dikkat çekiciydi ki, IBM bu teknolojiyi geliştiren şirketi satın aldı. Bunun yanı sıra, başka bir şirket elmas kusurlarını kullanarak 100 bireysel elektronu barındıran bir işlemci tanıttı. Bu teknolojinin ölçeklenebileceği ilk başta akla gelmeyebilir.
Spinleri Çevirme Yöntemleri
İlk haber, Howard Hughes'un araştırma programının bir uzantısı olan HRL Laboratories tarafından yayımlanan bir Nature makalesinden geliyor. HRL, ekranlarda kullanılan noktalardan farklı olarak, aynı fizik prensiplerinden yararlanan, insan yapımı kuantum noktalarını kullanıyor. Her iki yaklaşım da elektronun dalga boyundan daha küçük bir bölgede elektronları hapsetmek için bir yapı kullanıyor. Ekranlarda bu, malzemenin yaydığı dalga boyunun kontrol edilmesini sağlıyor.
Kübitler için bu hapsetme bölgeleri çok daha küçüktür ve tek bir elektronu yerinde tutmak için kullanılır. Kritik nokta ise bu noktaların üretilebilir olmasıdır; uygun kablolama ile elektromanyetik etkileşimler sayesinde silikonun küçük bir parçasında tek bir elektron hapsedilebilir. Hapsedildikten sonra, yukarı, aşağı veya ikisinin süperpozisyonu olabilen elektronun spini, bir kübit olarak kullanılabilir. Bu teknoloji kolayca ölçeklenebilir, çünkü silikona ölçekli bir şekilde kablolama yapma konusunda oldukça iyiyiz. Ancak elektron spinlerini kararlı tutmak zordur ve genellikle mikrodalgalar aracılığıyla kontrol edilir, bu da ayrı bir kontrol sistemi gerektirir.
Ancak "genellikle" her zaman anlamına gelmez ve HRL farklı bir teknoloji açıklıyor. Bu teknoloji, her biri bir elektronu barındıran üç ayrı kuantum noktası ve bu üç elektronun spinlerinin ne kadar etkileşime girebileceğini kontrol eden çevreleyen elektronik bileşenler gerektiriyor. Bu kritik öneme sahip çünkü belirli koşullar altında, hiçbir iki elektronun aynı spine sahip olamayacağı söylenebilir. Bu durum, atomik orbitallerin neden dolduğu ve her enerji seviyesinin yalnızca bir çift, biri spin-yukarı, diğeri spin-aşağı tuttuğu açıklanabilir. Bunların etkileşime girmesine izin vermek, spinlerini değiştirebilir.
Bu tür kübitler üzerinde işlem yapmak için, yalnızca hangi elektronların etkileşimde bulunduğunu ve ne ölçüde etkileşimde bulunduğunu kontrol etmeniz yeterlidir. Bu elektronik olarak kontrol edilir, bu da mikrodalgaları tamamen ortadan kaldırmamızı sağlar. Her şey kablolama yoluyla halledilir, bu da donanımı mutlak sıfıra yakın tutan soğutma sistemine çok sayıda mikrodalga taşıyan kabloya olan ihtiyacı ortadan kaldırır.
HRL, makalenin büyük bir bölümünü kontrol sistemini tanımlamaya ayırıyor. Bu sistem, ara seviyede bir soğutma sistemine sahip ve 130 nm'lik bir işlem üzerinde üretilmiş olmasına rağmen, düşük sıcaklık ve düşük güç operasyonları için optimize edilmiş geleneksel bir işlemciyi içeriyor ve 3.5 watt'tan daha az güç tüketiyor. Kübitleri çalıştırmak için talimatlar başka bir yerde derlenir, ardından kontrolcüye yüklenir ve bu kontrolcü daha sonra otonom olarak çalışır. Kübitleri tutan çiple iletişim, süperiletken bir şerit kablo ile sağlanır.
HRL'nin tanımladığı sistem 18 kübit içeriyordu ve şirket üzerinde basit bir hata düzeltme kodu çalıştırarak yüzde 1'in altında bir mantıksal hata oranı elde etti. Bu, diğer teknolojilerle elde edilenden çok daha düşük bir değer olsa da, HRL'nin karşılaştığı sorunların fizik yerine mühendislik alanına ait olduğuna dair önemli bir doğrulama niteliği taşıyor.
Hibrit Makineler
Makale HRL tarafından yayımlanmış olsa da, bu alandaki ilerleme daha sonra IBM'in mülkiyetine geçti. Bu dikkat çekici çünkü IBM, kübitlerin bir transmon adı verilen insan yapımı bir cihazda tutulduğu ve mikrodalga darbeleriyle kontrol edildiği rakip bir teknolojiye büyük yatırım yapmış durumda - tam da HRL'nin kaçınmaya çalıştığı kontrol sistemi. İlk bakışta bu açık bir uyum gibi görünmeyebilir, bu nedenle IBM Araştırma Direktörü Jay Gambetta'ya bu kararla ilgili soru sorduk.
Gambetta, "Üst düzeyde, silikon teknolojisine güçlü bir şekilde inanıyorum - süperiletken kübitler silikon üzerine inşa edilir, spinler silikon üzerine inşa edilir," dedi. "Her iki bölümü de paralel olarak yürütmemize ve aynı temelde inşa etmemize olanak tanır." Şu anda, bu temel hızlı yineleme ve tasarım testi sağlıyor. IBM genellikle her yıl yeni bir işlemci mimarisi yayımlıyor ve bir sonraki gelmeden önce iki veya üç nesil boyunca iyileştiriyor.
Ancak Gambetta, uzun vadede bu gelişmenin HRL teknolojisinin IBM sistemlerinde IBM'in mevcut teknolojisiyle birlikte çalışabileceği olasılığını gündeme getirdiğini öne sürdü. "Gelecekteki hata düzeltme kodlarına baktığımızda, bazı kodlar hafıza olarak daha iyidir, bazıları sihirli durum oluşturma olarak daha iyidir," dedi Gambetta. "Her ikisini de optimize eden donanımımı inşa etme esnekliğine sahip olmak istiyorum."
Diğer Spin Teknolojileri
Nature'ın aynı sayısında, Delft Teknoloji Üniversitesi'nden bir grup tarafından kuantum-nokta kübitleri üzerine ayrı bir makale yer alıyor. Bu teknolojiyi daha önce de ele almıştık, ancak özetle, kuantum noktalarındaki tek elektronlara dayalı kübitleri içeriyor ve elektronları ve spinlerini hareket ettirmeye odaklanıyor.
Kuantum noktaları ve diğer insan yapımı kübitlerle ilgili bir sorun, bağlantılarının bulundukları çipin kablolaması tarafından belirlenmesidir. Hata düzeltme kodları, kübitler arasındaki bağlantıların geometrisine dayandığından, bu, çip üretildiğinde bir veya az sayıda hata düzeltme koduna bağlı kalmak anlamına gelir. Daha iyi bir kod geliştirilirse veya bazı işlemlerin farklı bir kodla daha kolay gerçekleştirilebileceği ortaya çıkarsa, bir sonraki nesil çiplere kadar şansınız olmaz.
Tuzaklı iyonlar veya nötr atomlara dayalı kübitler bu sınırlamaya sahip değildir. Kübitler hareket ettirilebilir, böylece herhangi biri teorik olarak diğerine bağlanabilir. Bu, büyük bir algoritmik esneklik ve verimlilik sağlar; destekleyicileri, silikon tabanlı kübitlere kıyasla nispeten yavaş işlemleri aşmak için bunun yeterli olmasını bekliyor.
Ancak Mayıs ayında Delft ekibi, bireysel bir spinin bir kuantum noktasından komşu, boş bir noktaya hareket ettirilebileceğini ve bu yaklaşımın ölçeklenebileceğini göstermişti - spin, birkaç ara noktadan hareket ederek çipin başlangıçtaki tarafının karşısına çıkabiliyordu. Teorik olarak bu, herhangi iki spinin keyfi olarak hareket ettirilebileceği, yakın getirilebileceği ve birbirine dolanabileceği anlamına gelir. Bu yaklaşım, üretim avantajını atom tabanlı sistemlerin esnekliği ile birleştiriyor.
Çarşamba günkü makale, elektronların üzerinde hareket edebileceği ve kullanılmadıklarında depolanabilecekleri çok sayıda durak noktasına sahip bir veri yolu oluşturarak bu konuyu genişletiyor. Bunun çalışması için çok daha fazla donanıma ihtiyacımız var, ancak bu donanım çok kompakt ve esneklik güçlü olabilir.
Ekip, 1.2 mikrometre uzunluğunda bir veri yolu rotası tarif ediyor ve bir uçtan diğerine ve geri bir spin gönderme doğruluğunun neredeyse yüzde 98 olduğunu belirtiyor. Birkaç spin kullanarak, araştırmacılar küçük bir hata düzeltme kodu uyguluyorlar. Ayrıca sistemlerindeki hata kaynaklarını karakterize ediyorlar ve çoğunun iki kaynaktan kaynaklandığını buluyorlar: dolanıklık için gereken spin değişimleri sırasında ortaya çıkan gürültü ve kübitlerin hareket ettirilirken veya boşta dururken kaybolan tutarlılık (spin kübitleriyle yaygın bir sorun).
Elmaslar Bir Kübit İçin En İyi Dost Mu?
Ayrı bir teknoloji, yaklaşık on yıl önce incelediğimizden beri oldukça sessiz kaldı: elmaslardaki azot boşlukları. Elmas, komşularıyla bağlarını paylaşan düzenli bir karbon atomu dizisidir. Ancak bu dizide, azotun dahil edilmesi de dahil olmak üzere safsızlıklar dağılabilir. Azot, karbondan bir bağ daha az oluşturabilir, bu da komşu bir karbonda tek bir bağlanmamış elektron bırakır. Bu elektronun spini, bir kuantum noktasında tutulan bir elektronun spini gibi manipüle edilebilir.
Sorun, azot boşluklarının elmas içinde nereye yerleştirileceğini kontrol etmenin çok zor olmasıydı. Bir kez tespit edildikten sonra onlara kablo çalıştırmak nispeten kolay olsa da, azot boşluklarıyla çalışan her çip ısmarlama üretilir; standart bir çip düzeni kullanırsanız, kablolamanın beklediği yerde yalnızca bir tane, ancak yalnızca bir tane azot boşluğu olacağının garantisi yoktur. Leipzig Üniversitesi'nin bir yan kuruluşu olan Saxon Q, azot boşluklarını 10 nanometre yarıçapında yerleştirebilen bir teknik geliştirmiş durumda.
Şirketin donanımı birkaç açıdan dikkat çekici, en önemlisi oda sıcaklığında çalışması. İnşa ettikleri makineler standart bir raf yuvasına sığıyor ve normal bir güç kaynağına takılıyor. Diğer dikkat çekici özellik ise modüler tasarımıdır; şirket sekiz kübitlik bir "çekirdek" inşa eder ve birden fazla çekirdeği tek bir rafa entegre edebilir. Geçen hafta, toplam 100'den fazla kübit içeren üniteler sattığını duyurdu ve bunların birkaç ay içinde sevkiyata başlamasını bekliyor. Gelecek yıl daha büyük sistemler bekleniyor.
Her ikisi de ilginç hata düzeltme hesaplamaları yapamayacak kadar küçük olacaktır. Ancak Saxon Q, bireysel donanım kübitlerinin yüzde 99.9'dan fazla kapı doğruluğuna sahip olduğunu ve teknolojiyi pazardaki diğerleriyle rekabetçi hale getirdiğini söylüyor. Dolayısıyla, tekrar başlangıç noktasına dönüyoruz: Temel soru, teknolojinin ölçeklenip ölçeklenemeyeceği olmaya devam ediyor.
