Nötr atomlara dayalı kuantum devreleri hataları nasıl bulabilir ve düzeltebilir?

Kuantum mekaniği yasalarından yararlanarak bilgiyi işleyen cihazlar olan kuantum bilgisayarların, bazı ileri düzey görevlerde klasik bilgisayarlardan daha iyi performans gösterdiği bulunmuştur. Kuantum bilgisayarlar, bilgiyi klasik ikili bitler (yani 0 veya 1) biçiminde depolamak yerine, 0 ve 1 durumlarının kombinasyonlarında da bulunabilen kuantum bitlerine (yani kübitlere) dayanır.

Potansiyellerine rağmen kuantum bilgisayarların hatalara oldukça yatkın olduğu biliniyor. Bunun nedeni kübitlerin ısıya, manyetik alanlara ve çevrelerindeki diğer değişikliklere karşı çok hassas olmalarıdır; bu da verileri depolamak ve işlemek için güvendikleri hassas kuantum durumlarını bozabilir.

Princeton Üniversitesi’ndeki araştırmacılar yakın zamanda daha az hata yapan ve hataların tespit edilmesi ve düzeltilmesi daha kolay olan kuantum bilgisayarların geliştirilmesine yönelik yeni bir yaklaşım başlattılar.

Önerilen stratejileri, şu adreste yayınlandı: Doğa Fiziğiuzun ömürlü uyarılmış enerji durumunda olan belirli bir iterbiyum izotopunun nötr atomları olan yarı kararlı iterbiyum-171 atomlarına dayanan bir kuantum hesaplama platformunun geliştirilmesini gerektirir.

Makalenin kıdemli yazarı Jeff D. Thompson, CEİD’a şunları söyledi: “Kuantum hata düzeltmesinin daha iyi çalışmasını sağlamanın bir yolu, kaçınılmaz hataların daha uygun türde olduğu kübitler tasarlamaktır.” “Nötr atom kübitleri söz konusu olduğunda, birkaç yıl önce hataların düzeltilmesi çok daha kolay olan silme hatalarını tespit edilebilir hale getirebileceğinizi önerdik.”

Kendi hatalarını ortaya çıkaran atomik kübitler tasarlamak

Daha önceki çalışmalarının bir parçası olarak Thompson ve meslektaşları, dikkatle tasarlanmış kubitler kullanılarak hataların tespit edilebilir hale getirilmesinin mümkün olduğunu gösterdi. Ancak tespit edilen hataları düzeltmek için etkili ve uygulanabilir bir strateji geliştiremediler.

Thompson, “Bu bilgiyle yapabileceğimiz tek şey hatalı kübiti ortadan kaldırmaktı” diye açıkladı. “Bu çalışmada, silme dönüşümünün mantıksal bir kubit ile birlikte, silme dönüşümü olmadan mümkün olandan daha iyi hata düzeltmesine olanak sağladığını gösterdik.”

Araştırmacılar, yarı kararlı iterbiyum-171 atomlarını temel alan kübitleri dikkatlice tasarladılar ve bunların sözde silme hataları üretmesini sağladılar. Bu hatalar, kuantum hesaplama sisteminin “sorunlu” kübiti tanımlamasına olanak tanır. Belirlenen hataları düzeltmek için araştırmacılar, dört fiziksel kübit kullanarak iki mantıksal kübiti depolayan bir kuantum hata düzeltme kodu kullanmayı önerdi.

Thompson, “Bu çalışmanın amacı, silme dönüşümünün, başka türlü yapamayacağınız bir rejimde kuantum hata düzeltmesini uygulamanıza izin verdiğini göstermekti” dedi. “Bu amaçla, normal bir hata modeliyle herhangi bir hata düzeltmesi yapamayacak kadar küçük olan ancak tek bir silme işlemini düzeltebilen çok küçük bir hata düzeltme kodu (mesafe-2 kodu) seçtik.”

Ölçeklenebilir, hataya dayanıklı kuantum bilişime doğru bir yol

Son çalışma, ekibin kuantum hesaplama hatalarını tespit etme ve düzeltme yaklaşımının potansiyeline işaret eden bir ilk kavram kanıtı sunuyor. Thompson ve meslektaşları şimdi yaklaşımlarını daha büyük ölçekte uygulamayı ve etkinliğini daha fazla test etmeyi amaçlayan yeni araştırmalar planlıyorlar.

Thompson, “Silme dönüşümünün, başka türlü mümkün olmayan bir rejimde QEC’ye izin verdiğini gösterdik. Bir sonraki sınır, bunu silme dışı hataları da düzeltebileceğiniz daha büyük mesafe kodlarıyla uygulamak ve mantıksal hata oranlarını gerçekten düşürmektir” diye ekledi Thompson.

“Büyük kodları ve düşük mantıksal hata oranlarını gerçekten araştırmak için alanın, bir devrenin ortasında kaybolan atomları değiştirme yeteneği, daha hızlı mantıksal işlemler ve daha iyi geçitler gibi ek araçlara ihtiyacı var. Bu zorluklarla, hızlı atom yeniden yükleme ve gelişmiş geçitlere odaklanarak paralel bir çalışma içinde mücadele ediyoruz. Bunların hepsinin gelecek yıl bir araya geldiğini görmek heyecan verici olacak.”

Sonunda, bu araştırma ekibinin çabaları, ortaya çıkan hataları düzeltirken bilgileri güvenilir bir şekilde hesaplayabilen daha büyük kuantum işlemcilerin geliştirilmesine katkıda bulunabilir. Bu da klasik bilgisayarların çözemediği bazı sorunları çözmek için kuantum bilgisayarların kullanımını kolaylaştırabilir.