Oyunun kurallarını değiştiren kuantum bilgisayarları (bilgiyi geleneksel bitler yerine tek atomlarda kodlayan süper makineler) yaratma hayali, kuantum hata düzeltmesi olarak bilinen zorlu zorluk nedeniyle sekteye uğradı.
Pazartesi günü yayınlanan bir makalede DoğaHarvard araştırmacıları, önemli bir performans eşiğinin altındaki hataları tespit edip kaldırabilen ve potansiyel olarak soruna uygulanabilir bir çözüm sağlayabilen yeni bir sistem gösterdi.
Kuantum Bilimi ve Mühendisliği Girişimi eş direktörü Joshua ve Beth Friedman Üniversitesi Profesörü ve yeni makalenin kıdemli yazarı Mikhail Lukin, “İlk defa, ölçeklenebilir, hatası düzeltilmiş bir kuantum hesaplaması için tüm temel unsurları entegre bir mimaride birleştirdik” dedi. “Bu deneyler (birkaç açıdan bugüne kadar herhangi bir kuantum platformunda yapılmış en gelişmiş deneyler) pratik büyük ölçekli kuantum hesaplamanın bilimsel temelini oluşturuyor.”
Yeni makalede ekip, hataları tespit etmek ve düzeltmek için karmaşık bir teknik dizisiyle manipüle edilen 448 atomik kuantum bitini kullanan “hataya dayanıklı” bir sistem gösterdi.
Temel mekanizmalar arasında fiziksel dolaşma, mantıksal dolaşma, mantıksal büyü ve entropinin ortadan kaldırılması yer alıyor. Örneğin sistem “kuantum ışınlanma” hilesini kullanıyor; yani bir parçacığın kuantum durumunu fiziksel temas olmadan başka bir yere aktarıyor.
Araştırmanın başyazarı Ph.D. Dolev Bluvstein, “Milyonlarca kübit içeren çok büyük ölçekli bir bilgisayara ulaşmak için hala birçok teknik zorluk var, ancak ilk kez kavramsal olarak ölçeklenebilir bir mimariye sahibiz” dedi. ’25, araştırmayı Harvard’daki yüksek lisans eğitimi sırasında yaptı ve şu anda Caltech’te yardımcı doçent olarak görev yapıyor. “Çok fazla çaba ve teknik gelişme gerektirecek, ancak hataya dayanıklı kuantum bilgisayarlar üretebileceğimiz açıkça görülüyor.”
İşbirliği ve hata düzeltme arayışı
Harvard liderliğindeki işbirliği, MIT’den araştırmacıları içeriyordu ve ortaklaşa Lukin tarafından yönetiliyordu; Markus Greiner, George Vasmer Leverett Fizik Profesörü; ve Vladan Vuletić, MIT’de Lester Wolfe Fizik Profesörü. Ekip, Harvard-MIT laboratuvarlarından kurulmuş bir startup şirketi olan QuEra Computing, Maryland Üniversitesi’ndeki Ortak Kuantum Enstitüsü ve Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü ile işbirliği içinde araştırma yürütüyor.
Yeni makale, kuantum hata düzeltmesinde otuz yıllık bir arayışta önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor.
Geleneksel bilgisayarlar bilgileri sıfırlar ve birlerden oluşan ikili kodla kodlar. Kuantum bilgisayarları bilgiyi, kuantum fiziğinin mantık dışı özellikleri sayesinde çok daha fazla işlem gücü sağlayabilen atom altı parçacıklarda saklar.
Geleneksel bir bilgisayarda, bilginin en temel birimi bir “bit”tir (ikili rakamın kısaltması); kuantum sistemlerinde temel birim bir “kübit”tir (veya kuantum bitidir).
Geleneksel bilgisayarlarda bit sayısını iki katına çıkarmak işlem gücünü iki katına çıkarır; Kuantum sistemlerinde kubitlerin eklenmesi, kuantum dolaşıklığı adı verilen bir olgu nedeniyle gücü katlanarak artırır.
Teorik olarak 300 kuantum bitlik bir sistem, bilinen evrendeki parçacık sayısından daha fazla bilgi depolayabilir.
Kuantum hesaplamanın vaatleri ve engelleri
Kuantum bilgisayarları böylesine büyük bir güce sahip olarak ilaç keşfi, kriptografi, makine öğrenimi, yapay zeka, finans ve malzeme tasarımı gibi alanlarda çığır açacak potansiyele sahip.
Ancak bu devrimci potansiyeli hayata geçirmenin önünde engeller var. Bunlardan en önemlisi hata oranıdır. Qubit’ler doğası gereği kuantum durumlarından çıkmaya ve kodlanmış bilgilerini kaybetmeye karşı hassastır; bu da hata düzeltmeyi büyük kuantum makineleri elde etmenin temel ön koşulu haline getirir.
Yeni makalede ekip, düzinelerce hata düzeltme katmanına sahip karmaşık devreler oluşturmak için çeşitli yöntemleri birleştirdi. Sistem, kritik bir eşiğin altındaki hataları bastırır; bu nokta, kübit eklemenin hataları artırmak yerine daha da azalttığı noktadır.
Yeni makalenin baş yazarlarından biri ve doktora derecesi olan Alexandra Geim, “Hata düzeltmeyi nasıl uygulamanız gerektiğine dair birçok önemli teorik öneri var” dedi. Kenneth C. Griffin Sanat ve Bilim Enstitüsü’nde fizik öğrencisi. “Bu makalede, gerçekten ölçeklenebilir, derin devre hesaplamayı mümkün kılan temel mekanizmaların neler olduğunu anlamaya odaklandık. Bunu anlayarak aslında ihtiyacınız olmayan şeyleri ortadan kaldırabilir, genel giderlerinizi azaltabilir ve pratik bir rejime çok daha hızlı ulaşabilirsiniz.”
Lukin, yıllar süren deneylerin bazı teknik zorlukların nasıl aşılacağını ve diğerlerinden nasıl kaçınılacağını gösterdiğini söyledi. “Bu darboğazlardan hangilerinin gerçek olduğunu ve hangi darboğazları aşabileceğinizi biliyoruz” dedi. “Sonuçta fizik deneysel bir bilimdir. Bu temel fikirleri laboratuvarda gerçekleştirip test ederek, tünelin sonundaki ışığı gerçekten görmeye başlarsınız.”
Nötr atomlar ve kübit yarışı
Dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, farklı türdeki atomlar, iyonlar ve süper iletken kübitler de dahil olmak üzere kübitler için çeşitli potansiyel platformlar üzerinde çalışıyor.
Harvard ekibi rubidyum elementinin nötr atomları (eşit sayıda proton ve elektrona sahip oldukları için elektrik yükü olmayanlar) konusunda uzmanlaştı. Atomları bilgi taşıyan kubitler haline getirecek şekilde kodlamak amacıyla elektronların konfigürasyonunu değiştirmek için lazerler kullanıyorlar.
Google Quantum AI ekibinin mühendislikten sorumlu başkan yardımcısı Hartmut Neven, yeni makalenin kubit platformları arasındaki “inanılmaz derecede heyecan verici” bir yarışın ortasında geldiğini söyledi. “Bu çalışma, büyük ölçekli, kullanışlı bir kuantum bilgisayar oluşturma yönündeki ortak hedefimize doğru önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor” dedi.
Eylül ayında Harvard-MIT-QuEra grubu başka bir yayın yayınladı. Doğa İki saatten fazla sürekli olarak çalışabilen ve atom kaybından kaynaklanan başka bir teknik engelin üstesinden gelebilen, 3.000’den fazla kübitten oluşan bir sistemi gösteren makale.
Lukin, son gelişmelerle birlikte kuantum bilgisayarların yapımına yönelik temel unsurların yerli yerine oturduğuna inanıyor. “Birçoğumuzun on yıllardır hayalini kurduğu bu büyük hayal, ilk kez gerçekten doğrudan gözümüzün önünde” dedi.
