Kuantum bilgisayar sistemlerinde kübit doğruluğu (fidelity) alanında yeni bir rekor kırıldı. Bu gelişme, kuantum hesaplama alanındaki önemli engellerden birinin aşılması anlamına geliyor.
Bilim insanları, kuantum hata düzeltme (quantum error correction) ve bastırma konularında çalışmalar yürüterek, günümüzün en hızlı süper bilgisayarlarını geride bırakabilecek makinelerin önündeki en büyük engeli ele aldılar. Bu çalışma, 27 Şubat'ta Nature Communications adlı dergide yayımlandı.
Süper iletken kuantum bilgisayarlar, hesaplama yapmak için klasik bilgisayar bitlerinin kuantum karşılığı olan kübitleri (qubit) kullanır. Araştırmacıların kullandığı sistemler, IBM'in 127 kübitlik kuantum işlemcileri olan 'Kyiv' ve 'Marrakesh' modellerini içeriyor. Bu sistemler, 'fiziksel kübitler' ve 'mantıksal kübitler'in bir kombinasyonunu kullanıyor. Mantıksal kübitler, bir fiziksel kübitin hesaplama sırasında çökmesi ihtimaline karşı aynı bilgiyi farklı yerlerde saklayan, birbirine dolanmış (entangled) fiziksel kübit gruplarıdır.
Fiziksel kübitler, kuantum bilgisayarın donanım katmanında, süper iletken metalden yapılmış karmaşık ve geometrik olarak hassas bir devre olarak yer alır. Mutlak sıfır (-273.15 °C) civarına kadar soğutulduğunda, bu metaller tüm elektriksel direncini kaybeder ve kuantum bilgilerinin enerji kaybı olmadan akmasını sağlar.
Ancak bu kübitler, titreşim, arka plan gürültüsü ve diğer çevresel faktörler gibi en ufak bir etkiye karşı bile hassastır, bu da onları doğası gereği kırılgandır. Bu kırılganlığı telafi etmek için bilim insanları, birden fazla fiziksel kübiti bir araya getirerek bir mantıksal kübit oluşturur.
Mantıksal kübitler üzerinde hesaplamalar yapıldığında, fiziksel kübitler hata giderme (parity) görevi görerek hataları ortadan kaldırır. Ancak araştırmacılara göre, bu kurulumdaki temel sorun, 'mantıksal hatalara' karşı zayıf olmasıdır.
Mantıksal hatalar, bir mantıksal kübit içindeki birden fazla fiziksel kübitin gürültüye yenik düşmesi durumunda ortaya çıkar. Temel olarak, bir fiziksel kübit hata yaptığında, diğerleri hatalı sinyale karşı bir güvenlik önlemi görevi görür. Ancak birden fazla kübit hata yaptığında, sistem ürettikleri hatayı doğru sinyal olarak kabul eder ve hesaplama bozulur.
Hataları Oluşmadan Bastırmak
Araştırmacıların kullandığı 127 kübitlik IBM sistemleri, fiziksel kübitlerin özel düzenlemesinden kaynaklanan 'ZZ crosstalk' adı verilen belirli bir gürültü türüne eğilimlidir.
Araştırmacılar, bu özel gürültü türüyle başa çıkmak için hibrit bir yaklaşım geliştirdiler. Bu yaklaşım, hataların oluşmadan önce bastırılmasını içerir, böylece ortaya çıkabilecek tespit edilemeyen mantıksal hataların toplam sayısı azaltılır. Bu teknik, mevcut hata düzeltme araçlarıyla birleştirilerek yeni bir hibrit protokol oluşturuldu.
Sonuç olarak, araştırmacılar süper iletken kübitler üzerinde şimdiye kadarki en uzun süre boyunca en yüksek doğruluğa sahip kuantum hesaplamalarını (en az gürültüye sahip olanlar) gerçekleştirdiler.
Çalışmaya göre, daha önce tek denemede %79.5, başka bir denemede ise %93.7'lik zirve kodlama doğruluğu elde edilmişti. Ancak bu doğruluk, yaklaşık 27 mikrosaniye sonra %30'lara kadar düşmüştü.
Zirve doğruluk metriği, kuantum sistemi içinde ulaşılan en yüksek hassasiyeti gösterir ve bu, mantıksal kübitin oluşmasından hemen sonra gerçekleşir. Kuantum bilgisayar, zirve veya zirveye yakın doğruluğu ne kadar uzun süre koruyabilirse, kuantum algoritmalarını çalıştırma yeteneği o kadar artar.
Ekip, 'normalleştirici dinamik ayırma (normalizer dynamical decoupling - NDD)' adı verilen yeni bir teknik kullanarak bu önceki rekorları kırdı. %98.05'lik zirve kodlama doğruluğu elde ettiler ve bu doğruluğu 55 mikrosaniye sonra %84.87 seviyesinde korudular.
Standart bir hata düzeltme tekniği olan geleneksel dinamik ayırma, fiziksel kübitleri geri çevirmeye zorlamak için mikrodalga darbeleri kullanır. Bu, kübitleri düzenler ve genellikle arka plan gürültüsünü ortalama olarak dengeler, ancak bunu tek seferde bir fiziksel kübit için yapar.
Ancak bu tekniği ölçeklendirmede bir sorun var: bir sistemdeki fiziksel kübit sayısı arttıkça, gürültüyü bastırmak için daha fazla mikrodalga darbesine ihtiyaç duyulur. Bu durum, çalışmanın yazarlarının açıkladığı gibi, sonuçta ek gürültüye neden olur ve sistemdeki hata sayısını artırarak amacından sapar.
Ancak araştırmacılar, bu paradigmayı yalnızca donanım katmanında çalıştırmak yerine, mantıksal kübit katmanına uyguladılar. Bunu yapabilmek için, makinenin kendisinde çalışan kuantum koduna dayalı matematiksel bir 'normalleştirici' kullanarak darbelerini ayarlamak için bir yöntem icat etmek zorunda kaldılar. Bu, makinenin koduna bağlı bir ritimde darbe uygulamasını sağladı.
Sonuç olarak, normalleştirici dinamik ayırma, bugüne kadarki bir süper iletken kuantum bilgisayar üzerinde en yüksek doğruluğa sahip hesaplamaları üretti. Bu yüksek doğruluk seviyesinin ne kadar uzun süre korunabildiği, kuantum bilgisayarların ne kadar kullanışlı hale geleceğini gösteriyor.
Bir kuantum sisteminin yürütebileceği kuantum kapısı sayısı (veya tek kuantum işlemi) kuantum doğruluğunu ne kadar süreyle koruyabileceğine bağlıdır. Tek bir kapının yürütülmesi tipik olarak 10 ila 12 nanosaniye sürer. Bu, bu çalışmada gösterildiği gibi, veriler bozulmadan önce 55 mikrosaniye içinde yaklaşık 4.500 ila 5.500 ardışık işlemin gerçekleşebileceği anlamına gelir.
Kuantum hesaplamanın nihai hedefi, şifrelemeyi kırmak için Shor'un algoritmasını çalıştırmak gibi gerçekten kullanışlı işlemleri yüksek doğrulukla yürütebilen bir cihaz yaratmaktır. Bu tür gelişmiş fonksiyonların, yetenekli bir kuantum sisteminin düzgün bir şekilde tamamlanmasının haftalar veya aylar sürebileceği tahmin ediliyor. Ancak klasik bir bilgisayarın aynı sonucu elde etmesinin yüz trilyonlarca yıl sürebileceği göz önüne alındığında bu süre kötü sayılmaz.
55 mikrosaniyelik yüksek doğruluklu aktivite rekoru, pratik kullanımdan uzak bir gelişme gibi görünse de, önceki çabalar karşısında önemli bir sıçramayı temsil ediyor.
