Qutech’teki araştırmacılar, Fujitsu ve Element Six ile işbirliği içinde,%0.1’in altında hata olasılıkları olan tam bir kuantum kapısı seti gösterdiler. Birçok zorluk devam ederken, bu eşiğin altında meydana gelen hatalarla temel kapı işlemlerini gerçekleştirebilmek, gelecekteki büyük ölçekli kuantum hesaplaması için önemli bir koşulu karşılar. Araştırma şurada yayınlandı Fiziksel İnceleme Uygulandı 21 Mart 2025’te.
Kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarların yeteneklerinin ötesinde önemli sorunları çözebilmesi bekleniyor. Kuantum hesaplamaları, kuantum kapılar adı verilen büyük bir temel işlem dizisiyle gerçekleştirilir.
Bir kuantum bilgisayarın çalışması için, tüm kuantum kapılarının son derece hassas olması önemlidir. Kapılar sırasında bir hatanın olasılığı, tipik olarak%0.1 ila%1 siparişi olan bir eşiğin altında olmalıdır. Ancak o zaman, hatalar hata düzeltme yöntemlerinin başarılı bir şekilde çalışması ve gürültülü bileşenlerle güvenilir hesaplamayı sağlaması için yeterince nadirdir.
Elmasdaki dönüşler, kuantum hesaplama vaat eden bir kubit türüdür. Bu kubalar, atomik kusurlarla ilişkili elektron ve nükleer spinlerden, örneğin bir elmastaki bir karbon atomunun yerini alan bir azot atomundan oluşur. 10 Kelvin’e kadar nispeten yüksek sıcaklıklarda çalışırlar ve gürültüden iyi korunurlar. Ayrıca, fotonlarla doğal bağlantıları – ışığın temel parçacıkları – kuantum ağlarına göre hesaplamayı dağıtır. Bununla birlikte, yeterince düşük hata oranına sahip tam bir kuantum kapısı seti gerçekleştirmek şimdiye kadar bir zorluk olarak kaldı.
Delft Teknoloji Üniversitesi Interaculty Quantum Technology Araştırma Enstitüsü Qutech’teki araştırmacılar, bir elmas kuantum çipini kullanarak son derece hassas bir evrensel kuantum kapısı seti gösterdiler. Araştırmacılar, biri kusur merkezinin elektron spiniyle, diğeri nükleer spiniyle oluşturulan iki kubit sistemi kullandılar. Bu iki kbit sistemdeki her kapı tipi%0.1’in altında bir hatada çalışır ve en iyi kapılar bile%0.001’e kadar düşük hatalara ulaşır.
Baş yazarı Hans Bartling, “Bu kadar hassas kapıların farkına varmak için hata kaynaklarını sistematik olarak ortadan kaldırmak zorunda kaldık. İlk adım, bunların gürültüye neden olduğu için daha düşük bir karbon-13 izotop konsantrasyonuna sahip ultra saf elmaslar kullanmaktı.” Diyor. İkinci anahtar adım, spin kubitlerini birbirinden ve çevrede kalan gürültü ile etkileşimlerden dikkatlice ayıran kapılar tasarlamaktı.
Son bir zorluk, kapıları güvenilir bir şekilde karakterize etmek ve parametrelerini optimize etmek için araçlar bulmaktı. Bunun için ekip, kapıların tam kuantum tanımını sağlayan “Gate Set Tomography” adlı bir yönteme döndü. Ortak yazar Jiwon Yun, “Karakterizasyonumuzun kapı hataları hakkında tam ve kesin bilgi sağlaması gerekliydi, çünkü bu, sistematik olarak kusurları bulmamızı ve tüm kapı parametrelerini optimize etmemizi sağladı.” Diyor.
Nihayetinde, araştırmacılar, büyük bir kapı dizisi ile yapay bir algoritma gerçekleştirerek kuantum kapılarını ve karakterizasyonlarını teste koydular. 800 kapı operasyonundan sonra, sonuç ekibin bireysel kapılar hakkındaki bilgisinden doğru bir şekilde tahmin edilebilir, bu da kapı işlemlerinin artık hem kesin hem de iyi anlaşılmış olduğunu gösterir.
Önümüzdeki yol
Yüksek hassasiyetli evrensel kapılar kuantum hesaplamaya yönelik önemli bir ön koşul olsa da, büyük ölçekli hesaplamaya gitmek için hala uzun bir yol vardır. Araştırmayı denetleyen Tim Taminiau, “Gösterimiz iki küstah bir sistem üzerindeydi ve belirli bir kusur kullanıyordu” diyor. “Önemli bir zorluk, çip ölçekli entegre optiklere ve elektroniklere geçerken ve daha birçok kubitlere ölçeklenirken kapı kalitesini korumak ve daha da geliştirmektir.”
Bu kadar büyük işlemcileri gerçekleştirmek, Qutech’teki araştırma çabasının ve Fujitsu ile işbirliğinin odak noktasıdır. Ekip, sadece iyileştirilmiş kuantum bitlerinin değil, aynı zamanda gerekli kontrol elektroniği, ölçeklenebilir imalat yöntemleri ve yeni kuantum bilgisayar mimarileri türlerinin de incelendiği tam yığın bir yaklaşım benimsiyor. Taminiau, “Bir sonraki büyük adımı atmak, bilim adamlarını, mühendisleri ve endüstriyi bir araya getirmeyi gerektirecek” diyor.
