Geleneksel bilgisayarların dünyasına ikili (binary) sistemler hakimdir. Silikon transistörler ya iletkendir ya da değildir ve bu ikili yetenekler etrafında tüm bir matematik ve mantık işlemleri dünyası geliştirilmiştir. Kuantum hesaplama da büyük ölçüde benzer çizgide ilerlemiş, ölçüldüğünde iki durumdan birinde bulunan kubitleri kullanmıştır.
Bazı durumlarda, ikili değerlerin kullanılması, kubiti tutmak için kullanılan nesnenin bir özelliğidir. Örneğin, çift raylı kubit adı verilen bir teknoloji, değerini, bağlantılı iki rezonatörden hangisinin bir foton tuttuğundan alır. Ancak atomun yörüngesindeki bir elektronun sahip olabileceği tüm olası enerji durumları gibi ikiden çok daha fazla duruma erişimi olan pek çok başka kuantum nesnesi vardır. Bunları yalnızca en düşük iki enerji seviyesine dayanarak kubit olarak kullanabiliriz. Ancak ikiden fazlasını kullanmamızı engelleyen hiçbir şey yoktur.
Yakın zamanda prestijli bir bilim dergisinde yayınlanan bir çalışmada, araştırmacılar kuantum bilgisindeki jenerik sistemleri ifade eden ve 'kuantum haneleri'nin kısaltması olan quditler oluşturmayı başardılar. Üç veya dört olası durumda (sırasıyla qutritler ve ququartlar) bulunabilen bir sistem kullanarak, daha yüksek dereceli kuantum belleği için ilk hata düzeltmeyi gösterdiler.
Quditer: Neden Daha Az Popülerlerdi ve Nasıl Oluşturuldular?
Daha karmaşık quditler, kuantum hesaplama donanımı geliştiren kişiler tarafından çeşitli nedenlerle o kadar popüler olmamıştı. Bunlardan biri, bazı donanımların yalnızca iki olası duruma erişimi olmasıdır. Diğer durumlarda, ek durumlar arasındaki enerji farkları küçülür ve ayırt edilmesi zorlaşır. Son olarak, birden çok değer tutabilen quditlerle çalışırken bazı işlemlerin yürütülmesi zorlayıcı olabilir. Kubit işlemlerinden tamamen farklı bir programlama modeli gerekebilir.
Yine de, kubitlerin ötesine geçmenin değerli olabileceği yönünde güçlü bir argüman var: Daha az donanımla çok daha fazlasını yapmamıza olanak tanır. Şu anda, tüm büyük kuantum hesaplama çalışmaları donanım kısıtlıdır. Kullanışlı hesaplamalar yapabilmemiz için yeterli sayıda kubit inşa edip bunları hata düzeltme için birbirine bağlayamıyoruz. Ancak daha az donanıma daha fazla bilgi sığdırabilirsek, teorik olarak kullanışlı hesaplamalara daha erken ulaşmamızı sağlamalıdır.
“Teorik olarak” ifadesi, daha fazla bilgi depolarken bile donanımın düşük hata oranını koruması gerektiği gerçeğinden gelir. Yeni gösterimde, araştırmacılar, en az bir donanım türü için bu koşulun geçerli olmadığını gösteriyorlar: Ne kadar çok veri depolarsak, hatalar o kadar hızlı meydana geliyor. Ancak, karmaşık quditler üzerinde ilk hata düzeltme kullanımını göstererek bu hatanın bir kısmını geri kazanmayı başarıyorlar.
Kullandıkları cihaz, süper iletken bir telin mikrodalga rezonatöre bağlandığı standart bir transmona dayanıyor. Ancak transmonun kendisi, ek bir mikrodalga boşluğuna bağlıdır. Yeterli fotonla, boşluk bir osilatör gibi davranabilir, fotonlar ileri geri hareket ederek girişim desenleri oluşturabilir. Ve salınımların birden fazla moda sahip olması mümkündür (Bir mod, girişim desenindeki benzersiz bir tepe ve vadi kümesi olarak düşünülebilir). Girişimin kuantum davranışı olduğu göz önüne alındığında, sistemi farklı modlar arasında bir süperpozisyona yerleştirmek ve böylece farklı modları kuantum bilgisini depolamak için kullanmak mümkündür.
Rezonatör boşluğuna mod eklemek için içine daha fazla foton koymanız gerekir. Bu, girişim deseninde daha fazla tepe noktası oluşturur ve bunları daha sıkı paketler. Ancak aynı zamanda foton kaybı oranını ve dolayısıyla sistemin hata yaşama olasılığını da artırır. Buradaki deneyler için araştırmacılar, boşluğu ya qutrit ya da ququart barındırdığı durumlara soktu ve hata oranını tekrar düşürmek amacıyla hata düzeltme deneyleri yapmak için bunları kullandılar.
Hata Düzeltme Mekanizması Nasıl Çalıştı?
Bu çalışmanın anahtarı, boşluğa bağlı transmondaydı. Normalde transmon, boşluğun durumunu kontrol etmek ve gerektiğinde değerini okumak için kullanılır. Ancak, boşluktaki quditin durumunu yok etmeyen zayıf ölçümler yapmak için de kullanılabilir. Bunlar size boşluktaki rezonatörün tam durumunu söylemez, ancak o durumun değişip değişmediğini anlamanıza yardımcı olabilir, bu da bir hata meydana geldiği anlamına gelir. Bir dizi bu tür ölçüm yaparak, yalnızca hatanın doğasını değil, aynı zamanda onu düzeltmek için hangi eylemlerin yapılması gerektiğini de belirlemek mümkündür.
Teorik düşüncelere dayanarak quditi nasıl kontrol edeceğini anlamaya çalışmak yerine, araştırmacılar kontrol sistemlerini bir dizi değişken özelliğe ayırdılar ve ardından tüm bu değişkenleri optimize etmek için pekiştirmeli öğrenme (reinforcement learning) kullandılar. Bu optimizasyonun amacı, quditin durumunu basitçe dengelemek, kaybolmasını önlemekti. Bunu, belleğe benzer bir şey gibi davranmasını sağlamak olarak düşünebilirsiniz (gerçek hesaplamalar, karmaşık işlemler sırasında durumunu korumasını gerektirecektir).
Deneyler için araştırmacılar, boşluğu bir kubit, qutrit ve ququart olarak çalıştırdılar. Her bir durumda hem hata düzeltme ile hem de hata düzeltmesiz olarak ömrünü ölçtüler.
Sonuçlar oldukça netti. Bilgi merdiveninde her adımda, iki durumdan üçe, üçten dörde geçiş, kuantum belleğinin ömrünü kısalttı. Ancak hata düzeltmeyi açmak, performansın bir kısmını geri kazandırdı. Örneğin, hata düzeltilmiş bir qutrit, durumunu kabaca düzeltilmemiş bir kubit kadar uzun süre korudu. Hata düzeltilmiş bir ququart ise, düzeltilmemiş bir qutritten aslında daha iyi performans gösterdi.
Üç durumun her birinde, hata düzeltmeyi açmak, ömrü kabaca 1,8 kat artırdı.
Bunun, ek quditlere bağlı olmayan veya hesaplamalar için kullanılmayan tek bir donanım parçası üzerinde gerçekleşen tamamen bir prensip kanıtı olduğunu kabul etmek önemlidir. Ancak, hata düzeltmenin kubitler üzerindeki performansı
Bu çalışma Nature dergisinde yayınlandı.
