Teknoloji devi IBM'in bilim insanları, kuantum hesaplamanın önündeki en büyük engellerden biri olan hata toleransı sorununu çözdüklerini ve 2029 yılına kadar dünyanın ilk büyük ölçekli, hata toleranslı kuantum bilgisayarını piyasaya sürmeyi planladıklarını duyurdu.
Yeni araştırmaya göre, geliştirilen yeni hata düzeltme teknikleri, mevcut en güçlü kuantum bilgisayarlardan bile yaklaşık 20.000 kat daha yetenekli sistemlere yol açacak.
Yakın zamanda yayınlanan iki yeni çalışmada araştırmacılar, kuantum hesaplamadaki hataları etkili bir şekilde yöneten ve donanımın ölçeklendirilmesini daha önce mümkün olandan dokuz kat daha verimli hale getiren yeni hata azaltma ve düzeltme tekniklerini detaylandırdı.
Yeni sistem, "Starling" kod adıyla anılacak ve yaklaşık 10.000 fiziksel qubit'ten oluşan 200 mantıksal qubit kullanacak. Bunu 2033 yılında, 2.000 mantıksal qubit kullanacak "Blue Jay" adlı daha da büyük bir makine takip edecek.
Hakem değerlendirmesinden geçmemiş olsa da, bu çığır açan araştırma IBM'in Kuantum Düşük Yoğunluklu Eşlik Kontrolü (LDPC) kodlarını açıklıyor. Bu kodlar, kuantum bilgisayar donanımının önceki sınırlamaların ötesine ölçeklenmesine olanak tanıyacak yeni bir hata toleransı paradigması sunuyor.
IBM yetkilileri, genişletilmiş hata toleranslı kuantum hesaplama için "bilimin çözüldüğünü" belirtiyor. Bu, kuantum bilgisayarları büyütmenin artık bilimsel bir engel yerine yalnızca bir mühendislik meselesi olduğu anlamına geliyor.
Günümüzde var olan kuantum bilgisayarlar, yalnızca potansiyellerini test etmek için tasarlanmış özel sorunlarda klasik bilgisayar sistemlerini (ikili hesaplama yapanlar) geride bırakabiliyor.
Kuantum üstünlüğüne veya kuantum avantajına ulaşmanın en büyük engellerinden biri, kuantum işlem birimlerinin (QPU) ölçeklendirilmesi oldu.
Bilim insanları işlemcilere daha fazla qubit ekledikçe, QPU'lar tarafından gerçekleştirilen hesaplamalardaki hatalar artıyor. Bunun nedeni, qubit'lerin doğası gereği "gürültülü" olması ve klasik bitlere göre daha sık hata oluşmasıdır. Bu nedenle, alandaki araştırmalar büyük ölçüde kuantum hata düzeltmeye odaklanmıştır.
Kuantum Hesaplamada Hata Toleransı: Büyük Engel
Hata düzeltme, tüm hesaplama sistemleri için temel bir zorluktur. Klasik bilgisayarlarda, ikili bitler yanlışlıkla birden sıfıra veya tam tersine dönebilir. Bu hatalar birikerek hesaplamaları eksik bırakabilir veya tamamen başarısız olmasına neden olabilir.
Kuantum hesaplamaları yürütmek için kullanılan qubit'ler, kuantum mekaniğinin ek karmaşıklığı nedeniyle klasik muadillerine göre hatalara çok daha yatkındır. İkili bitlerin aksine, qubit'ler ek "faz bilgisi" taşır.
Bu, kuantum bilgiyi kullanarak hesaplamalar yapmalarını sağlarken, hata düzeltme görevini de çok daha zor hale getirir.
Şimdiye kadar bilim insanları, kuantum bilgisayarlarını bugünün modellerinde kullanılan birkaç yüz qubit'ten, teorik olarak genel kullanışlılık için ihtiyaç duydukları yüz milyonlarca qubit'e nasıl ölçeklendireceklerinden tam olarak emin değildiler.
Ancak LDPC'nin geliştirilmesi ve mevcut sistemlerde başarılı bir şekilde uygulanması, IBM yetkililerine göre değişimin katalizörü oldu.
LDPC kodları, hataları tespit etmek ve düzeltmek için bir dizi kontrol kullanır. Bu, bireysel qubit'lerin daha az kontrole dahil olmasını ve her kontrolün önceki paradigmalara göre daha az qubit içermesini sağlar.
Bu yaklaşımın temel avantajı, mantıksal qubit'lerin onları korumak için gereken fiziksel qubit'lere oranının, yani "kodlama oranının" önemli ölçüde iyileştirilmesidir. LDPC kodlarını kullanarak IBM, sistemleri ölçeklendirmek için gereken fiziksel qubit sayısını çarpıcı biçimde azaltmayı hedefliyor.
IBM araştırmalarına göre yeni yöntem, hata azaltma işlemlerini önceki tüm tekniklerden yaklaşık %90 daha hızlı gerçekleştiriyor. IBM, bu teknolojiyi, mevcut kuantum bilgisayarlarında kullanılan Heron mimarisinin halefi olan Loon QPU mimarisine entegre edecek.
Hata Azaltmadan Hata Düzeltmeye Geçiş
Starling'in 200 mantıksal qubit kullanarak 100 milyon kuantum işlemi gerçekleştirebilmesi bekleniyor. IBM temsilcileri, bunun kabaca 10.000 fiziksel qubite eşdeğer olduğunu belirtti. Blue Jay ise teorik olarak 2.000 mantıksal qubit kullanarak 1 milyar kuantum işlemi gerçekleştirebilecek.
Mevcut modeller, 156 mantıksal qubit kullanarak yaklaşık 5.000 geçit (5.000 kuantum işlemine benzer) kapasitesine sahip. IBM yetkilileri, 5.000 işlemden 100 milyona sıçramanın yalnızca LDPC gibi teknolojilerle mümkün olacağını bir açıklamada belirtti. Diğer şirketler tarafından kullanılan teknolojiler de dahil olmak üzere diğer tekniklerin, hata toleransına ulaşmak için gereken daha büyük boyutlara ölçeklenemeyeceklerini eklediler.
2029'da Starling ve 2033'te Blue Jay'den tam olarak yararlanmak için IBM'in kuantum bilgisayarlar için özel olarak oluşturulmuş algoritmalara ve programlara ihtiyacı var. Araştırmacıların gelecekteki sistemlere hazırlanmalarına yardımcı olmak amacıyla IBM, kısa süre önce IBM'in donanımını kullanarak kuantum devrelerini çalıştırmak için açık kaynaklı bir geliştirme kiti olan Qiskit 2.0'ı başlattı.
IBM'in kuantum motoru lideri, hedefin hata azaltmadan hata düzeltmeye geçiş olduğunu belirterek, "Kuantum hesaplama, araştırmacıların bir kuantum donanım 'oyun alanını' keşfettiği bir alandan, bu ölçekli kuantum hesaplama araçlarının mevcut olduğu bir yere dönüştü." ifadelerini kullandı.
