Bulutta test edilen kuantum gürültü modeli, süper iletken kübit hatalarını yedi kat daha iyi doğrulukla tahmin ediyor

Laurel, Maryland’deki Johns Hopkins Uygulamalı Fizik Laboratuvarı’ndan (APL) ve Baltimore’daki Johns Hopkins Üniversitesi’nden araştırmacılar, popüler bir süper iletken kuantum işlemci sınıfı için pratik, kapsamlı bir gürültü modelleme çerçevesi geliştirdiler. Dergide yayınlanan çalışmaları PRX Kuantummevcut yaklaşımlara göre tahmin doğruluğunda yedi kat artış sağlar.

Kuantum bitleri veya kübitler, onları hesaplama için bu kadar değerli kılan aşırı hassasiyetin bir sonucu olarak, doğası gereği gürültüye (elektrik ve manyetik alanlar veya sıcaklık dalgalanmaları gibi çevresel faktörlerden kaynaklanan parazitlere) eğilimlidir. Doğru gürültü modellerinin geliştirilmesi, gerçekten hataya dayanıklı kuantum bilgisayarları oluşturmak için gereken sağlam kuantum algoritmalarının ve esnek hata düzeltme protokollerinin oluşturulmasının anahtarıdır.

APL’de kıdemli fizikçi ve Johns Hopkins Üniversitesi Krieger Sanat ve Bilim Okulu Fizik ve Astronomi Bölümü’nde doçent araştırma profesörü olan proje lideri Gregory Quiroz, “Alanı gerçekten ilerletmek için, kuantum etkileşimlerinde rol oynayan tüm temel fiziği açıklamaya çalışan teorik modellerden ziyade, az sayıda parametre kullanarak geniş bir davranış yelpazesini tahmin edebilen modellere ihtiyacımız var” dedi. “Yaklaşımımızın yeniliği, birden fazla gürültü mekanizmasını birbirine bağlayan ve tutarlı bir tahmin metodolojisi sağlayan birleşik ve deneysel olarak doğrulanmış bir çerçevede yatmaktadır.”

Bulut tabanlı kuantum işlemcilerde gürültüyü karakterize etme

Gerçek, çok kübitli sistemlerde kuantum gürültüsünü incelemek için ekip, yedi süper iletken cihazda 39 kübite bulut erişiminden yararlandı. Spesifik olarak, elektrik yükünden kaynaklanan gürültüye karşı duyarlılığının azalması nedeniyle ödüllendirilen ve bu nedenle ana akım kuantum hesaplama mimarilerinde popüler olan bir tür süper iletken kübit olan transmonlar üzerinde çalıştılar. Bulut erişimine güvenmek bir fırsat ama aynı zamanda bir zorluk da sundu çünkü ekibin, donanıma düşük düzeyde erişim olmadan kuantum bilgisayarlardaki gürültüyü nasıl inceleyeceği ve karakterize edeceği üzerinde çalışması gerekiyordu. Quiroz, bu erişim eksikliğinin aynı zamanda tescilli sistemlerle ilgili giderek yaygınlaşan gerçek dünya senaryolarını da yansıttığını belirtti.

“Gerçek kuantum bilgisayar kullanıcıları da düşük seviyeli donanım erişimine sahip olmayacak; yalnızca uygulamaları çalıştıracaklar ve doğru şekilde çalıştıklarından emin olmaları gerekecek” dedi. “Deneylerimiz bu koşulları yansıtıyor.”

Makalenin ilk yazarı ve Quiroz’un JHU’daki öğrencisi olan ve araştırmaya katkıda bulunan doktora sonrası araştırmacı Yasuo Oda, bu sınırlamayı aşmanın yaratıcı bir yaklaşım gerektirdiğini söyledi.

Oda, “Temel olarak, bir kübit sisteminde bir durumdan diğerine geçişi yönlendirmeye, başka bir deyişle kuantum hesaplaması yapmaya ve gürültünün bu operasyonun başarısını nasıl etkilediğini incelemeye çalışıyoruz” dedi. “Kulağa basit geliyor, ancak bu geçişi gerçekte gerçekleştirme şekliniz platformdan platforma büyük ölçüde değişiklik gösteriyor. Düşük seviyeli erişim olmadan, donanımın özelliklerine ilişkin sınırlı bilgimiz vardı.”

Ekip, tek bir işlemi ayrıntılı olarak incelemek yerine, hataların birikmesini sağlamak amacıyla kuantum işlemciler üzerinde tekrarlanan hesaplamalar yürüttü. Bu birikmiş hataların ne sıklıkta meydana geldiğini ve beklenen sonuçtan ne kadar saptığını inceleyerek, altta yatan fiziksel sistemde neler olduğuna dair içgörüler toplayabildiler.

Basit ama kapsamlı bir model

Önemli bir şekilde, ekibin yaklaşımı, temelde farklı iki hata türünü (genellikle “tutarsız” ve “tutarlı” hatalar olarak anılır) tek bir modelde karakterize etmelerini sağladı. Bilgi geri alınamayacak şekilde kaybolduğunda tutarsız hatalar meydana gelir; tutarlı hatalar, örneğin kontrol donanımı kalibrasyonundaki kusurları temsil edebilir ve düzeltilebilir.

Oda, “Tutarlı hatalar hakkındaki verilere erişiminiz varsa, bunları önleyecek bir sistem tasarlama veya daha sonra düzeltme seçeneğiniz vardır” dedi.

Her iki hata türü hakkında geniş bir literatür olmasına rağmen bunlar genellikle ayrı ayrı incelenir. Ekibin bildiği kadarıyla hiç kimse, süper iletken kubit donanımı için her iki hata türünü bir araya getiren tek bir tahmin çerçevesi oluşturmadı.

“Çok çeşitli hataları tek bir modelde bir araya getirmeyi başardık; bu, parametreler açısından basit ama aynı zamanda tanımlayabildiği olay türleri açısından da kapsamlı, hatta küçük kuantum algoritmalarının performansını bile tahmin edebiliyor” dedi. “En büyük katkımız bu.”

Karakterizasyondan düzeltmeye

Quiroz, ekibin bu modeli oluşturduğuna göre bir sonraki adımın bunu donanım performansını artırmak için uygulamak olacağını söyledi.

“Artık bu düşük ağırlıklı gürültü modeline sahip olduğumuza göre, bunu donanım tasarımından algoritma tasarımına ve hata düzeltmeye kadar kuantum hesaplama yığınının tüm seviyelerine uygulama fırsatımız var” dedi. “Modelden alabileceğimiz bilgiler, kuantum hesaplama yığınının her seviyesini bilgilendirebilir.”

Bu çalışma, mevcut ve yakın gelecekteki kuantum işlemcilerde hata karakterizasyonunu ve yönetimini daha ölçeklenebilir, modüler, platformlar arasında uyarlanabilir, yeniden yapılandırılabilir ve hedeflenmiş (dolayısıyla SMART) hale getiren kuantum yazılım yığını bileşenleri ve ilkelerini tasarlamaya odaklanan APL liderliğindeki bir proje olan SMART Stack’in bir parçasıdır. APL’nin bu çabadaki ortakları arasında Chicago Üniversitesi, Michigan Üniversitesi, Unitary Foundation, Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı ve Infleqtion’daki araştırmacılar yer alıyor. Bu çaba, kuantum hata yönetimindeki önceki başarılara dayanıyor ve APL’nin daha büyük kuantum bilgisayar bilimi portföyünün bir parçası.

APL Araştırma ve Keşif Amaçlı Geliştirme Misyon Alanında Alternatif Hesaplama Paradigmaları program yöneticisi yardımcısı ve makalenin ortak yazarı Kevin Schultz, “APL, donanım, yazılım ve kuantum ve klasik bilgisayarları birleştiren hibrit bilgi işlem sistemleri dahil olmak üzere kuantum hesaplama yığınının her seviyesinde kuantum gürültüsünü ve hataları karakterize etmeye ve azaltmaya kararlıdır” dedi. “Bu gürültü modeli, bu hedeflere ulaşma yolunda önemli bir adımı temsil ediyor.”