Kuantum bilgisayarlar alanındaki gelişmeler, genellikle yıl sonuna doğru şirketlerin hedeflerine ulaşıp ulaşmadıklarına dair kanıt sunma çabalarıyla hızlanır. Ancak, bu yazın başlangıcında, aşamalı ilerlemelerden dikkat çekici vaatlere kadar pek çok ilginç duyuru yapıldı. Bu gelişmeler arasında, kullanışlı ve hata düzeltilmiş kuantum bilgisayarlarının en erken 2028'de sunulabileceği vaadi, güncellenmiş bir iyon tuzağı işlemcisine ilişkin detaylar ve geleneksel algoritmaların ilerlemesiyle geri çekilen kuantum üstünlüğü iddiaları öne çıkıyor.
2028 Tarihi Oldukça Yakın Görünüyor
Alanın birçok uzmanı, kullanışlı kuantum bilgisayarlarının henüz beş ila on yıl uzakta olduğunu düşünüyor. Mevcut hata eğilimli donanımlarda çalıştırılabilecek az sayıda faydalı algoritma olsa da, kuantum bilgisayarların uygulanabileceği ilginç problemlerin neredeyse tamamı, bir dizi donanım kübitinin birbirine bağlanarak 'mantıksal kübit' adı verilen bir yapı oluşturmasıyla mümkün olacak hata düzeltmeyi gerektirecek. Mantıksal kübitler, bilgilerin yedekli depolanmasını ve hataların ne zaman meydana geldiğini belirlemeye ve düzeltmeye yarayan komşu kübitleri içerir.
Kullanışlı hesaplamalar yapmak için, makul sayıda mantıksal kübite ihtiyaç vardır; örneğin, basit kimyasalların davranışlarının tam bir modelini oluşturmak için yaklaşık 100, şifre kırmayı sağlayanlar gibi karmaşık algoritmaları gerçekleştirmek için ise on binlerce mantıksal kübit gerekebilir. Bu nedenle, 'kullanışlı' tanımının 'kimin için kullanışlı olduğu' sorusunu da beraberinde getirdiği unutulmamalıdır. En azından, kullanışlı hata düzeltilmiş bir makine inşa etmek için binlerce yüksek kaliteli donanım kübitine ihtiyacımız olacak.
Mevcut kübit teknolojileri ya yüksek kalite ya da çok sayıda kübit sunmaktadır. Hedeflere ulaşmak için birkaç yıllık aşamalı ilerleme gerektiren yol haritaları mevcut. Bu durum, beş ila on yıllık tahminlerin ardındaki temel nedendir.
Ancak pazartesi günü, Amazon ve QuEra bu hedefe iki yıl içinde ulaşacaklarını iddia ettiler. Amazon'un açıklamasında, "2028 yılına kadar, yüzlerce mantıksal kübit üzerinde bir milyon kuantum işlemi gerçekleştirebilen Megaquop ölçekli bir cihaz olan Libra'yı müşterilerimize sunacağız. Bu, kuantum kimyası, yüksek enerjili fizik ve malzeme simülasyonları alanlarında, günümüzdeki klasik ve Gürültülü Orta Ölçekli Kuantum (NISQ) bilgisayarların ötesinde ilk bilimsel uygulamaları mümkün kılacak." denildi.
Bu müşteriler, Amazon'un Braket bulut hizmeti aracılığıyla birçok farklı kuantum bilişim teknolojisine erişebiliyor. Libra, Boston bölgesinde yerleşik bir startup olan QuEra tarafından sağlanacak donanımdır. QuEra, Harvard Üniversitesi ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'ndeki araştırma gruplarıyla personel paylaşımı ve uzun vadeli fikri mülkiyet anlaşması yoluyla nötr atom kuantum bilişimini benimsemektedir. Nötr atom kuantum bilişimi, lazerler aracılığıyla tekil atomları soğutup onları örtüşen ışınlardan oluşan bir ızgarada hapsetme yeteneğimize dayanır; kübit ise çekirdeğin spininde depolanır. Ayrı lazer sistemleri atomları hareket ettirebilir ve herhangi bir kübitten diğerine bağlantı sağlayarak algoritmik ve hata düzeltme amaçları için önemli bir esneklik sunar. Bu teknoloji, mevcut donanım kübitleri arasında "çok sayıda üretmesi kolay" kategorisine girer; QuEra'nın akademik ortakları 3.000 kübitlik bir ızgara demonstre etmişlerdir.
Bununla birlikte, bu sistemlerin çalışması atomları ısıtır ve atomların hareketi yavaştır, bu da kübitlerin sorunlu bir frekansta kaybolmasına neden olur. QuEra'nın arkasındaki ekip, etkileyici hata düzeltme yöntemleri gösterse de, hala önemli çalışmalar yapılması gerekmektedir. Şirketin mevcut gösterimlerden yüksek kaliteli bir sisteme nasıl ulaşmayı planladığını anlamak, bu on yıl bitmeden hata düzeltilmiş hesaplamaların yaygın olarak görülüp görülmeyeceğini değerlendirmek için kritik öneme sahip olacaktır.
Amazon'un duyurusunun zamanlaması bu nedenle biraz hayal kırıklığı yaratıyor, çünkü QuEra, Libra sistemine yönelik ayrıntılı yol haritasını gelecek hafta açıklamayı planlıyor. Bu bilgilendirmeden önce tam bir brifing vaadi almış olsak da, şu an için iki şirketin de aşırı abartıdan uzak durduğu ve bu duyuruyu ancak işlerin yolunda gideceğine dair çok güçlü nedenlere sahip olduklarında yapacakları söylenebilir.
Helios'un Resmi Tanımı
Kasım ayında Quantinuum, iyon tuzağı teknolojisine dayanan yeni kuantum bilgisayar donanımını Helios'u tanıtmıştı. İyon tuzakları, nötr atomlarla bazı ortak noktalara sahip olsa da, lazer ızgarası yerine iyonize edilmiş atomları hareket ettirmek için elektroniklere güvenir. Benzerliklere rağmen, iyonlar mevcut kübitler arasındaki ayrımın karşı tarafındadır: Mevcut donanımlar çok sayıda kübit barındırmaz, ancak kübitler son derece yüksek kalitededir.
Çarşamba günkü Nature dergisinde yayınlanan makalede, şirket Helios'un daha ayrıntılı teknik açıklamasını sunuyor. Donanım hakkındaki açıklamalarda bir değişiklik yok; hala işlemlerin gerçekleştiği iki bacağa bağlı bir depolama halkası bulunuyor ve bir algoritma çalıştırılırken iyonlar bu bacaklara girip çıkıyor. Makale bazı ek detaylar sunuyor.
Bu detaylardan biri, iyonların cihazdan kaçmaması için soğutulmasıdır. Helios sistemi, soğutmanın iyonların sıralanması ve diğer işlemlerle paralel olarak çalışmasını sağlar. Makalede, "Yerden-durum soğutmalı bu paralel sıralama, soğutma ve geçit döngülerinin neredeyse sürekli çalışmasını sağlar, çünkü bir sonraki kübit grubu, mevcut grup işlemleri tamamladığında geçiş yapmaya hazır olur." deniliyor. Şirket ayrıca, gelecekte soğutmayı başka yerlerde artırma fırsatı gördüğünü ve neredeyse her iyonun gerçekten ihtiyaç duyulduğunda soğutulacağını ima ediyor.
Helios ayrıca, kullanıcının niyetlerini gerçek kübit donanımından soyutlayan bir yazılım yığını ile birlikte gelir. Kullanıcılar "sanal kübitleri" programlar ve gerçek zamanlı bir kontrol sistemi gerçek donanım kübitlerini seçer. Bu, muhtemelen sistemin, kullanıcının gerçek hata düzeltme detaylarını sisteme bırakmasıyla, hata düzeltilmiş mantıksal kübitlere sahip algoritmaları etkinleştirmesinin yoludur.
Ancak en dikkat çekici haber, hata oranlarıdır. Tek kübit geçit işlemleri sırasında hata oranı 0.00003'tür, bu da bu işlemlerden çoğunu yapabileceğiniz ve bir hatanın oldukça olasılık dışı olacağına güvenebileceğiniz anlamına gelir. En kötü hata oranı olan çift kübit geçitleri için bile bu oran 0.0008'dir. Bu oran ve Helios'un barındırdığı 98 kübit göz önüne alındığında, makinenin tamamının klasik bilgisayarlar kullanılarak simüle edilmesi neredeyse imkansızdır. Sistem sekiz işlem turu gerçekleştirene kadar, en büyük süper bilgisayarın davranışını simüle etmesi yaklaşık 10.000.000 yıl sürecektir.
Avantajlı mı?
Geleneksel bilgisayarların ne yapabildiği ve ne kadar sürede yapabildiği sorusu, alanın karşılaştığı en büyük sorunun merkezine oturmuştur: Gerçek dünya kuantum bilgisayarlarını, teorinin onları yapabilmesi gerektiğini söylediği ana şeyi, yani klasik bilgisayarların etkili bir şekilde yapamayacağı şeyleri yapabilir miyiz? Bu, "kuantum üstünlüğü" olarak adlandırılan şey hakkında büyük iddialarla başladı, ancak bilgisayar bilimcileri soruna dikkatlice baktıklarında bazılarının pek de ayakta kalamadığı görüldü.
O zamandan beri, odak noktası kuantum avantajına doğru kaymış durumda, ki bunu ben kuantum bilgisayarların klasik donanımlarda vahşi derecede pratik olmayan şeyleri yapması olarak düşünüyorum. IBM bir kuantum avantaj izleyicisi kurdu ve açık örnekler görmenin eşiğinde olduğumuz genel bir fikir birliği var.
Ancak tartışmaya dahil olan herkes, her kuantum avantajı iddiasının, bilgisayar bilimcileri için mevcut klasik algoritmaları optimize etmek için bir meydan okuma gibi davrandığını kabul ediyor. Q-CTRL adlı bir şirketteki bir grup bilgisayar bilimcinin iddiasına göre tam olarak olan da bu gibi görünüyor. Mayıs ayında grup, bir IBM kuantum işlemcisi kullanarak bir Fermi-Hubbard modelini, 32 CPU'luk bir kümede çalışan optimize edilmiş bir algoritmaya göre 3.000 kat daha hızlı simüle edebileceklerini gösteren bir makale yayınladılar.
Başka bir yazılım şirketindeki (Multiverse Computing) kişiler bunu bir meydan okuma olarak gördü. Akademisyenlerle işbirliği yaparak, kuantum avantajı gösteriminde kullanılan algoritmadaki bir ödünleşmeyi fark ettiler. Temel olarak, karmaşıklığı sınırlamak için Q-CTRL ekibi dikkate aldıkları simetri sayısını sınırlamıştı. Ancak Multiverse ekibi, sistemde mümkün olan tüm simetrilerin dahil edilmesinin, bağımsız olarak dikkate alınması gereken sayıyı azalttığını fark etti. Bu ödünleşme, klasik sistemlerde daha kısa yürütme sürelerini destekliyordu.
Multiverse ekibi ayrıca, hesaplamalardan birinde basitleştirilmiş bir yaklaşım kullanmak için simülasyon çıktılarını kullandı ve algoritmayı BPU'larda çalışacak şekilde optimize etti. Net sonuç, kuantum avantajını 3.000 kat faktöründen 36'ya düşürmeleri oldu. Ayrıca, kuantum sisteminde yapılanın ötesinde bir zaman adımı için simülasyonu gerçekleştirdiler.
Sonuç, tam da IBM'in izleyicisini kurma nedenidir: Oradaki insanlar, herhangi bir kuantum avantajı iddiasının ancak kuantum bilişim bilimcileri ve daha geleneksel algoritma üreticileri arasındaki devam eden bir konuşmadan sonra kabul edileceğini fark ettiler. Bunun garip sonucu, geçerli bir kuantum avantajı iddiası gönderilse (veya zaten izleyicide bulunsa) bile, bunun ne olduğu konusunda yaygın olarak kabul görmesinin birkaç yıl sürebileceğidir.
O noktada, eğer Amazon ve QuEra haklıysa, zaten hata düzeltilmiş kuantum bilgisayar donanımına sahip olacağız.
