Kuantum bilgisayarlarında karmaşık algoritmaları çalıştırmak, donanım kübitlerinin (qubit) bir araya getirilerek hataların tespit edilip düzeltilebildiği mantıksal kübitler kullanmayı gerektiriyor. Genel olarak, her bir mantıksal kübit için ne kadar çok donanım kübiti ayrılırsa, hata olasılığı da o kadar azalır. Ancak, donanım kübitlerinin kendileri de hataya yatkın olduğundan, sayılarını artırmak hata olasılığını da yükseltir. Eğer donanım hata oranı çok yüksekse, mantıksal kübiti büyütmek durumu daha da kötüleştirebilir.
Neyse ki, hata oranı çok yüksek olmayan donanımlara sahip birçok teknoloji şirketi bu alanda ilerleme kaydetti. Gerçekleştirilen birçok gösterimde, mantıksal kübitlerin "breakeven" (denge) noktasını aştığı ve kübit sayısını artırmanın performansı iyileştirdiği kanıtlandı. Ancak bu iyileşme genellikle çok dramatik değildi. Karmaşık algoritmaları çalıştırmak için gereken hata oranlarını düşürmek adına, her bir mantıksal kübite pratik olarak imkansız sayıda donanım kübiti eklemek gerekiyordu.
Geçtiğimiz Pazartesi günü Quantinuum, mevcut nesil donanımlarının "breakeven" noktasının çok ötesine ölçeklenme yeteneğine sahip olduğunu duyurdu. Mantıksal kübitlerin her bir boyuttaki artışı, performanslarının bazı ölçümlerini 10 katın üzerinde iyileştirdi.
Hata Düzeltme Kodları ve Ölçeklenme
Sonuçları daha iyi anlamak için, hata düzeltmenin ardındaki temel fikirlere kısaca göz atmak gerekiyor. Bir mantıksal kübit, veri tutan bir grup kübit ile ölçüm için kullanılan bir grup kübitin birbirine karmaşık (entangled) bir şekilde bağlanmasıyla oluşur. Bu kübitlerin birbirine nasıl bağlandığına göre farklı hata düzeltme "kodları" mevcuttur. İşlemler sırasında, uygun kübitlerin ölçülmesinden elde edilen "sendrom verileri", mantıksal kübit içinde bir hata olup olmadığı, varsa nerede ve ne tür bir hata olduğu hakkında bilgi verir.
Bağlantı geometrilerine bağlı olarak, hata kodlarının birkaç temel özelliği bulunur: çalışması için kaç donanım kübitine ihtiyaç duyduğu, kaç adet tekil mantıksal kübit barındırabildiği ve bir mantıksal kübitin çökmesine neden olmadan eşzamanlı olarak kaç hata meydana gelebileceğinin kaba bir ölçüsü olan "mesafe".
Bazı hata düzeltme kod ailelerinin üyeleri oldukça basit bir şekilde farklılık gösterir: Her boyuttaki artış (ki bu birden fazla donanım kübiti gerektirebilir), mesafeyi artırır. Yani, daha fazla donanım kübiti ekleyerek, daha büyük bir mesafe sağlayarak benzer bir geometri oluşturulabilir.
Bu tür kodlar, belirli bir kuantum işlemcisinin hata düzeltmesinin ne kadar iyi ölçeklendiğini ölçmek için kullanılabilir. Küçük bir mesafeye sahip, örneğin 3 mesafeli mantıksal kübitin hata oranını ölçmekle başlanır. Ardından, bu mantıksal kübite daha fazla donanım kübiti ayrılır ve 5 mesafede ölçüm yapılır. Bu işlem, donanım kübitleri tükenene kadar 7 ve daha yüksek mesafelerde tekrarlanır.
Eğer donanım "breakeven" noktasının ilerisindeyse, mesafedeki her artışla hata oranı düşecektir. Ve ölçeklenme faktörü -her adımdaki hata oranının ne kadar iyileştiği- ne kadar "breakeven" noktası ötesinde olunduğunu gösterir. Bu, pratik nedenlerle büyük önem taşır. Eğer her boyuttaki artış hata oranını 10 kat azaltıyorsa, hata oranını önemli ölçüde düşürmek için yalnızca birkaç boyuta çıkmak yeterli olacaktır. Buna karşılık, ölçeklenme faktörü 2'ye yakınsa, aynı etkiyi elde etmek için birçok kez boyutu artırmak gerekir.
Şimdiye kadar, "breakeven" noktasının ötesinde ölçeklenme gösteren çoğu demo, hata oranının 10'a kıyasla 2'ye çok daha yakın bir oranda düştüğünü gördü. Bu, karmaşık bir algoritma çalıştırmak için gereken hata oranına ulaşmak için binlerce donanım kübitini mantıksal kübite eklememiz gerekebileceği anlamına gelebilir.
Helios ile Tanışın
Quantinuum, "tuzak iyon kuantum bilgisayarları" olarak bilinen bilgisayarlar üretiyor. Adından da anlaşılacağı gibi, her kübit bir iyon (bir veya daha fazla elektronunu kaybetmiş bir atom) içinde saklanır. Yüklü olduklarından, onları elektrik alanları aracılığıyla manipüle etmek, hareket ettirmek ve yeniden düzenlemek mümkündür. Şirketin Helios adını verdiği en son donanımı, iyonları bir halka etrafında döndürür ve ölçümler ile iyonların kuantum durumlarının işlemlerinin lazerler kullanılarak gerçekleştirilebildiği iki koldan birine seçici olarak aktarır. Herhangi iki iyon aynı anda bu kollara getirilebildiğinden, herhangi bir iyonun diğer herhangi bir iyonla karmaşık hale getirilmesi mümkündür, bu da Helios'a hemen hemen her hata kodunu barındırma yeteneği kazandırır.
Genel olarak, şirketin donanımı nispeten düşük hata oranlarına sahiptir. Ancak önceki iterasyonlar, mantıksal kübitlerin mesafesini önemli ölçüde artırmak için yeterli kübite sahip değildi. Ancak Helios ile şirket, nihayet 3, 5 ve 7 mesafeli hata düzeltme kodlarının (color code) versiyonlarını kullanma yeteneğine sahip oldu (ancak aynı anda yalnızca bir adet 7 mesafeli mantıksal kübit barındıracak kadar donanım kübitine sahip).
Ek olarak, Quantinuum işlemcisinin çalışma şeklinde önemli bir değişiklik yaptı. Önceki Quantinuum işlemcilerindeki hataların önemli bir kısmı, "kaçak" (leakage) olarak adlandırılan bir durumdan kaynaklanıyordu. Bu, bir kübitin hesaplamalar için kullanılan iki enerji durumundan birinde bulunmak yerine, normalde kullanılmayan yakındaki bir enerji durumuna girmesiyle meydana gelir. Şimdi şirket, diğer enerji durumlarına sızmış kübitleri seçici olarak manipüle etmek ve onları hesaplama için kullanılan iki durumdan birine geri getirmek için lazer ışığı kullanan bir şema kullanıyor. Bu, kaçak hatalarını 6.5 kat azaltır ve sistem iyonları soğutmak için lazerler kullanırken aynı anda yapılabilir. Ayrıca, sızan veri tutan herhangi bir kübiti ölçüm kübitleriyle değiştirebilen ve ardından sıfırlanıp yeniden kullanılabilen bir yazılım tabanlı sistem geliştirmiştir.
Renk Kodlaması (Color Coding)
Şirketin bugün duyurduğu iki deneyden biri için, 13 donanım kübitini kullanarak 3 mesafeli bir renk kodu, 37 tanesiyle 5 mesafeli ve 73 donanım kübitiyle 7 mesafeli bir mantıksal kübit oluşturabildiler. Bunlar daha sonra, mantıksal kübitlerin aynı durumu korumak için kullanıldığı, temelde bir tür kuantum bellek görevi gördüğü durumlarda oluşan hata oranını tahmin etmek için kullanıldı. Ancak donanımın performansı artık o kadar iyi ki, yalnızca bir tur hata düzeltmesi yapmak ve ölçmek, sorunların ne sıklıkla meydana geldiğini doğru bir şekilde ölçemiyor; hatalar çok nadir. Bu nedenle ekip, belleğin korunup korunmadığını belirlemek için ölçümden önce 20 tur hata düzeltmesi yaptı.
Bunu başarmak için sistem, ölçüm kübitlerinden elde edilen sendrom verilerini alıp tespit edilen herhangi bir hatanın doğasını belirlemek zorunda kaldı. Hata düzeltme kodunun mesafesi arttıkça, bu analizi darboğaz olmaktan çıkacak kadar hızlı bir şekilde gerçekleştirmek giderek daha zor hale geliyor. Quantinuum ekibi, gerçek zamanlı olarak çalışabilen üç farklı yazılıma sahip olduklarını gösterdi: standart bir algoritma, evrişimli bir sinir ağı ve transformer tabanlı bir sinir ağı.
3 mesafeli renk kodu için mantıksal hata oranı yaklaşık 5 x 10-4 idi. 5 mesafeli koda geçildiğinde bu oran yaklaşık 4 x 10-5'e düştü ve 7 mesafeli kod ise bir büyüklük mertebesi daha düşerek 5 x 10-6'ya ulaştı. Genel olarak, her mesafe artışı mantıksal hata oranını yaklaşık 12 kat azalttı. Bu, bildiğim kadarıyla şimdiye kadar görülen en iyi ölçeklenme.
Burada yapılan bir diğer önemli adım, bir turun sendrom verilerinin yalnızca hemen önceki ve sonraki turla ilişkili olduğunu göstermektir. Bu, hata tespit sürecini yanlı hale getiren herhangi bir sistemik hata kaynağının olmadığını gösteriyor.
Elbette, gerçek operasyonları gerçekleştirmek, mantıksal kübitlere sadece hareketsiz durmalarına ve durumlarını korumalarına izin vermekten çok daha fazlasını yapmayı gerektirir. Bu nedenle araştırmacılar, nispeten basit bir iki-kübit kapı işlemini gerçekleştirmeyle ilişkili mantıksal hata oranını da incelediler. Ne yazık ki, bu iki mantıksal kübitin kullanılmasını gerektirir ve Helios işlemcisi aynı anda birden fazla 7 mesafeli hata kodunu barındıramaz. Bu nedenle araştırmacılar, doğrudan donanım kübitlerini kullanmayı ve 3 ve 5 mesafeli renk kodlarını kullanmayı karşılaştırdılar. Donanımda bu iki-kübit kapılarının doğrudan çalıştırılması yaklaşık 10-3'lük bir hata oranı üretti ve 3 mesafeli kod durumu dramatik bir şekilde iyileştirmedi. Ancak 5 mesafeli kod, mantıksal hata oranını yaklaşık 7 x 10-5'e düşürdü. Bu da, donanımın nispeten karmaşık görevleri yerine getirmesi istendiğinde bile "breakeven" noktasının oldukça ötesinde göründüğünü gösteriyor.
O Diğer Ölçeklenme
Bu sonuçlar birkaç farklı şekilde görülebilir. "Önemli bir şey değil" bakış açısıyla bakıldığında, en iyi mantıksal hata oranı bile karmaşık algoritmalar için hala çok yüksek ve oraya ulaşmak bazı önemli dezavantajlar içeriyordu: sadece kübit üzerinde işlem yapılmadığı durumlarda görüldü ve sistem yalnızca bir tanesini barındıracak kadar büyük. Potansiyel olarak kullanışlı bir hata oranında birçok hata düzeltilmiş işlem gerçekleştirmeye hazır olmamız için hala uzun bir yolumuz var.
Daha iyimser bir bakış açısıyla, bu benim bildiğim en iyi ölçeklenme ve performans, donanım hata oranını biraz daha düşürmenin önemli faydalar sağlayabileceğini gösteriyor. Mantıksal hata oranı, donanım hata oranına, işler yeterince iyi hale geldiğinde küçük iyileştirmelerin mantıksal hata oranında çok büyük etkiler yaratabileceği şekilde bağlıdır. Burada görülen ölçeklenme, o noktada olduğumuzu söylemiyor, ancak yaklaştığımızı düşündürüyor.
Quantinuum için asıl soru, yol haritasının belirttiği kadar etkili bir şekilde kübit sayılarını ölçekleyip ölçekleyemeyeceği. Eğer başarabilirse, kullanışlı mantıksal kübitler üretmeye başlayabilmek için donanım hata oranını çok düşürmesi gerekmeyebilir. Bu, donanım hata oranını düşürmek, kübit sayılarını artırmak veya birden fazla işlevsel birimi tek bir bilgisayara entegre etmenin yollarını bulmak gibi farklı kombinasyonlar yapması gereken rakiplerinden biraz farklı sorunları çözmesi anlamına gelebilir.
