Kuantum bilgisayarlar, geleneksel bilgisayarların çözemediği karmaşık problemleri çözme potansiyeli taşıyor. Ancak bu güçlü makinelerin önündeki en büyük engellerden biri, kübitlerin (kuantum bitlerinin) son derece hassas ve hataya yatkın olmasıdır. Microsoft'un Azure Kuantum ekibi, bu sorunu aşmak için kritik bir adım atarak kuantum bilgisayarlarda hata düzeltme konusunda yeni bir yol haritası belirlediğini duyurdu.
Microsoft, farklı kuantum bilgi işlem teknolojileri için uygun bir hata düzeltme şeması üzerinde karar kıldığını belirtiyor. Şirket, bu yeni sistemle, yaklaşık her 1000 işlemde bir hata yapan fiziksel kübitleri kullanarak, hata oranını milyonda bire düşüren mantıksal kübitler oluşturmayı hedefliyor.
İsteğe Bağlı Bağlantılar ve 4 Boyutlu Kodlama
Geleneksel çip tabanlı kuantum bilgisayarlarda kübitler arasındaki bağlantılar üretim sırasında sabittir. Bu, kullanılabilecek hata düzeltme şemalarını kısıtlayabilir. Ancak Atom Computing gibi bazı şirketlerin kullandığı, atomları veya iyonları depolayan teknolojiler, kübitler arasında isteğe bağlı, karmaşık bağlantılar kurmaya olanak tanır. Microsoft'un odaklandığı hata düzeltme şeması da tam olarak bu tür esnek donanımlardan faydalanıyor.
Microsoft'un belirlediği hata düzeltme kodu, kübitler ve bağlantıları için 4 boyutlu bir hiperküp geometrisi kullanıyor. Bu karmaşık yapı, veri tutan kübitlerin durumunu etkilemeden hataları tespit etmek için 'zayıf ölçümler' adı verilen özel işlemlerin yapılmasını sağlıyor. Bu ölçümler, kübitlerin değerlerini ifşa etmeden (bu durum kuantum dolaşıklığını bozardı) bir değişiklik olup olmadığını anlamaya yetiyor ve hataların düzeltilmesine olanak tanıyor.
Şirketin yeni yayımladığı bir ön baskı makalesinde detayları verilen bu kod ailesi, farklı hata toleransı seviyeleri sunuyor. Temel olarak, bir grup fiziksel kübiti alıp hata düzeltme yeteneğine sahip altı mantıksal kübite dönüştürüyorlar. Bu altı mantıksal kübiti barındırmak için ne kadar çok fiziksel kübit kullanılırsa, her birinin hata koruması o kadar artıyor. Örneğin, Microsoft'un tercih ettiği bir versiyon, altı mantıksal kübit için 96 fiziksel kübit kullanıyor ve daha yüksek hata direncine sahip.
Önemli Avantajlar ve Zorluklar
Microsoft, bu hata düzeltme şemasının iki önemli avantajı olduğunu belirtiyor. Birincisi, 'tek atışlık' (single shot) kodlar olmaları. Bu, hataları tespit etmek ve düzeltmek için çok az sayıda ölçüm turuna ihtiyaç duyulması anlamına geliyor. Ölçümlerin kendisi hata yaratabileceğinden ve atom tabanlı sistemlerde atomların taşınması ve soğutulması gerekebileceğinden, ölçüm sayısını sınırlamak performansı önemli ölçüde etkiliyor.
İkinci avantaj ise, bu şemanın evrensel kuantum hesaplama için gerekli tüm mantıksal işlemleri desteklemesi. Karmaşık kuantum algoritmaları, küçük, basit işlemlerden oluşur. Her hata düzeltme şeması, tüm temel işlemleri sorunsuz desteklemeyebilir. Microsoft'un şeması, bazı temel işlemleri kolayca yaparken, diğerleri için özel düzenlemeler gerektirse de evrensel hesaplamayı mümkün kılıyor.
Ancak, bu şema henüz gerçek donanım üzerinde tam olarak gösterilmedi. Mevcut kuantum donanımları (farklı firmaların sistemleri dahil) genellikle bu 4D kodların tercih edilen versiyonu için gereken 96 fiziksel kübit sayısına ulaşmıyor. Örneğin, mevcut en büyük sistemlerden biri ancak 100 kübit sunabiliyor, bu da hata payı bırakmıyor.
Donanım Gelişmeleri ve Gelecek
Microsoft, bu şemayı test etmek için işbirliği yaptığı bir ortak firmanın yeni nesil makinelerini bekliyor. Bu firma, Microsoft ile birlikte geliştirdiği ilk nesil makinenin 1200 fiziksel kübite sahip olacağını, bir sonraki yükseltmenin ise 10.000'in üzerine çıkacağını duyurdu. Bu büyüklükteki sistemler, Microsoft'un hata düzeltme şemasını tam ölçekli olarak denemeye olanak tanıyacak.
İşbirliği yapılan firma, özellikle hata düzeltme için kritik olan 'devre içi ölçüm' (midcircuit measurement) kabiliyetini başarıyla gösterdiğini duyurdu. Bu, kuantum hesaplama devam ederken kübitlerin durumunu ölçmek anlamına geliyor. Atom tabanlı sistemlerde bu, atomların ölçüm bölgesine taşınması, ölçüm sonrası soğutulması ve hatta kaybolan atomların yedeklerle değiştirilmesini gerektiriyor. Yapılan testlerde, atomların küçük bir yüzdesinin kaybolduğu ancak sistemin bunları başarıyla yerine koyduğu ve bu sayede hata düzeltme ile kübit doğruluğunun önemli ölçüde arttığı görüldü.
Atom tabanlı sistemlerin önemli bir bağımlılığı ise lazerler. Atomları tutmak, taşımak, ölçmek ve manipüle etmek tamamen lazerlerle yapılıyor. Lazerlerin kararlılığı (gürültü seviyesi), sistemin performansını doğrudan etkiliyor. Bu da donanım geliştiricilerinin kaderini büyük ölçüde lazer tedarikçilerine bağlı kılıyor.
Özetle, Microsoft, kuantum bilgisayarlarda güvenilirliği artırmak için umut vaat eden, esnek donanımlara uygun bir hata düzeltme şeması belirledi. Şimdi gözler, bu iddialı planı gerçeğe dönüştürecek yeterli büyüklükte ve yetenekte donanımın geliştirilmesinde.
