Çift amaçlı kübit tasarımı, kuantum hatalarını azaltırken operasyonları hızlandırabilir

MIT araştırmacıları, kübitlerin birbirleriyle çok daha hızlı etkileşime girmesini ve aynı zamanda çok kararlı kalmasını sağlayan yeni bir kübit mimarisi tasarladı. Bu ilerleme, bir gün bilim adamlarının uzun, karmaşık algoritmaları yüksek doğrulukla çalıştırabilen pratik kuantum bilgisayarlar oluşturmasına yardımcı olabilir.

Kuantum bilgisayarın yapı taşları olan kübitler genellikle yalnızca verileri depolar ve işlemleri gerçekleştirmek ve iletişim kurmak için diğer elektronik cihazlara güvenir. Ancak kübitler o kadar kırılgan ve hataya açık ki, bilim adamlarının bilgilerini kaybetmeden ve sıfırlanmaları gerekmeden yeterli sayıda kübiti birbirine bağlaması zor.

MIT ekibi iki ayrı parçadan oluşan çift amaçlı bir kübit tasarladı: Verileri depolayan bir bileşen ve diğer kübitler ve elektroniklerle etkileşime giren bir bileşen. Bu tasarım, kübitin güvenilirliğini artırıyor ve daha düşük hata oranıyla çalışmasını sağlıyor, böylece aynı zaman aralığında daha fazla hesaplama gerçekleştirebiliyor.

Simülasyonları, bu yeni kübit mimarisinin, mevcut tasarımlardan önemli ölçüde daha hızlı ve daha yüksek doğrulukta işlemlere izin verebileceğini gösteriyor.

Bu araştırma hâlâ ilk günlerinde olsa da, bilim adamlarının geleneksel süper bilgisayarların çözemeyeceği kadar zor olan gerçek sorunları çözebilecek büyük ölçekli, kullanışlı kuantum bilgisayarlar oluşturmalarına yardımcı olma potansiyeli taşıyor.

Elektrik mühendisliği ve bilgisayar bilimi (EECS) doktorası sahibi Alec Yen, “Bu çalışma büyük bir adım gibi görünüyor. Bu sistemlerin ne kadar tasarlanabileceğini gösteren yeni bir mimari. İki fikri aldık ve bunları, aradığımız kubit ortak tasarımını gerçekleştirmemize yardımcı olacak şekilde bir araya getirdik, kuantum hata düzeltmesi yapmak için ihtiyaç duyduğumuz şeylerin oldukça nadir bir kombinasyonunu oluşturduk” diyor. bu baharda yeni mimariyi anlatan bir makalenin ortak yazarıdır.

Makalede kendisine EECS yüksek lisans öğrencisi olan baş yazar Jeremy Kline da eşlik ediyor; MIT lisans öğrencisi Stanley Chen; ve EECS’de doçent ve Elektronik Araştırma Laboratuvarı’nda (RLE) baş araştırmacı olan kıdemli yazar Kevin O’Brien.

Çalışma şurada görünüyor: Uygulanan Fiziksel İnceleme.

Çift amaçlı bir kübit

Tıpkı klasik bir bilgisayardaki bitler gibi kuantum bitleri de bilgi depolar. Ancak klasik bitlerin aksine, kuantum bitlerinin ömrü çok kısadır ve bilim insanları bunları bir kuantum bilgisayarı oluşturmak için birbirine bağladığında hızla bozulabilir.

Eşevresizlik olarak bilinen bu bozulma, hesaplamalarda hızla oluşan hatalara neden olur ve uzun hesaplamaları tamamlanmadan raydan çıkarır.

O’Brien, “Bütün bunları yapmanın amacı, bu hataları meydana geldikçe düzeltebileceğiniz, hataya dayanıklı bir kuantum bilgisayarı oluşturmaktır, böylece uzun hesaplamalar yapabilir ve bir kuantum bilgisayarla gerçekten yararlı şeyler yapabilirsiniz,” diye açıklıyor.

MIT araştırmacıları, kübitleri daha güvenilir hale getirmek için iki ayrı ancak bağlantılı bileşen içeren yeni bir tasarım geliştirdi: Biri verileri depolayan, diğeri ise kuantum devresinin diğer tüm parçalarıyla etkileşime giren.

Bu etkileşim bileşeni, sistemin diğer bölümlerine uzanan bir kol gibidir, bu nedenle araştırmacılar tasarımlarına “kol kübiti” adını verirler.

Yen, “Veri modu ve etkinleştirme moduyla birlikte gerçekleştirilen bu iki ikili amaç için tasarlandı ve bu iki hedef, kuantum hata düzeltmesi yapmaya çalıştığınızda gerçekten önemli” diyor.

Temel olarak tasarımları iki farklı kübit türünü birleştiriyor. Veri modunu oluşturmak için çok uzun ömrü veya tutarlılığı olduğu bilinen popüler bir kübit tasarımı kullanılıyor.

Kol modu, kuantum hesaplamalarının okunmasına izin veren elektronik bir bileşen olan rezonatör gibi diğer bileşenlerle çok güçlü etkileşimler sergileyen farklı bir tasarım kullanır. Okuma, bir kuantum sisteminin durumunu ölçme ve onu klasik bir değere dönüştürme işlemidir.

Bu yeni mimarinin anahtarı, araştırmacıların daha önce geliştirdikleri ve veri modunu ve kol modunu birbirine bağlamak için kullandıkları özel bir bağlantı ünitesidir.

Daha güçlü bağlantı

Normalde modları bir araya getirmek, sisteme daha fazla kübit bağlandıkça aralarında istenmeyen etkileşimlerin oluşmasına neden olabilir.

Bu karışımı önlemenin bir yolu, iki bileşenin birinin durumunu değiştirmenin diğerinin tepki olarak değişmesine neden olacak şekilde bağlandığı zaman ortaya çıkan, doğrusal olmayan birleştirme adı verilen bir tekniğin kullanılmasıdır. Doğrusal olmayan bağlantı çoğu kuantum algoritmasını çalıştırmak için gereklidir.

Araştırmacıların kullandığı ve quarton bağlayıcı olarak bilinen özel cihaz, veri modu ile kol modu arasında çok güçlü doğrusal olmayan bağlantıya olanak tanıyor ve bu da istenmeyen karışımı önemli ölçüde azaltıyor. Bu bağlantı, kübitin, eşevresizleşmeden önce işlemleri daha hızlı gerçekleştirmesine olanak tanıyor.

Kline, “‘Kol’ bileşenini bağlantıya ayırarak, ölçeklenebilir, üretim hatalarına karşı dayanıklı ve güçlü doğrusal olmayan bağlantı elde etmek için hala kuarton bağlantı elemanı kullanan bir tasarım yapmayı başardık” diyor.

Tasarımı simülasyonlarda test ettiklerinde kol kübiti, en son teknoloji tutarlılık sürelerinin yanı sıra daha hızlı işlemler ve okuma sağlayarak diğer süper iletken kübit mimarilerinden daha iyi performans gösterdi.

Bu yeni mimarinin hızı ve güvenilirliği, kuantum bilgisayarların pratik hale getirilmesinde önemli bir adım olan kuantum hata düzeltmesini hızlandırabilir.

Araştırmacılar buradan kol kübitini üretmeye yönelik çalışmayı planlıyor, böylece özelliklerini ve yeteneklerini daha fazla inceleyip onu gerçek kuantum sistemlerine entegre edebilecekler.

O’Brien, “Bu çalışma beni çok fazla merakta bırakıyor çünkü simülasyonlarımız çok ümit verici. Daha sonra bunu yapıp yapamayacağımızı görmemiz ve modelleme veya tasarımda herhangi bir şeyi kaçırıp kaçırmadığımızı belirlememiz gerekecek. Eğer bu kubiti üretebilirsek, gelecekte hata düzelten kuantum bilgisayarları için bir yapı taşı olabilir” diyor O’Brien.