Pratik bir kuantum bilgisayar yapma küresel yarışı büyük bir adım attı

Daha büyük ve daha iyi kuantum bilgisayarları üretmeye yönelik küresel yarışta araştırmacılar ileriye doğru bir adım attılar. Helios adı verilen yeni bir makine, diğer kuantum bilgisayarlardan kökten farklıdır.

Kuantum bilgisayarları, atom ve atom altı ölçeklerde fiziği yöneten yasalar olan kuantum mekaniğinin gücünden yararlanır. Bu tür makinelere yönelik çeşitli tasarımlar arasında Helios, tuzaklanmış iyon kuantum bilgisayarıdır; bu, elektromanyetik alanları kullanarak boş alanda asılı duran yüklü atomları kullandığı anlamına gelir.

Bir kuantum bilgisayarının verileri işlemek için kullandığı bilgi birimleri olan 98 kubit kullanarak çalışır. Bu kübit sayısı onu şimdiye kadar yapılmış en büyük tuzaklı iyon kuantum bilgisayarı yapıyor. Cihazın arkasındaki şirket Quantinuum’un merkezi Cambridge, İngiltere ve Broomfield, Colorado’da bulunuyor. 2023’te 32 kübitte ve 2025’te 56 kübitte çalışan daha önceki makineleri gösterdi.

Helios ve öncülleri, kuantum bilgilerinin depolanması ve işlenmesi için ayrı bölgelere sahip bir mimari (veya operasyonel yapı) kullanıyor. Mimari, QCCD (kuantum şarj bağlantılı cihaz) olarak adlandırılır ve 2002 yılında icat edilmiştir. Bu, depolama için belleğe (sabit disk sürücüleri, katı hal sürücüleri) ve ayrı bir işlemciye (CPU, GPU) sahip olan klasik bilgisayarların mimarisine benzer.

Helios’un özel geometrisi, depolama için bir halka ve işleme için iki şerit ile bir rozeti andırıyor. Önemli olan, buluştukları dört yollu X kavşağıdır. Bir QCCD, yüklü nesneleri (iyonları) fiziksel olarak depolamadan işleme bölgelerine elektriksel olarak taşır.

İşleme lazer darbeleri kullanılarak gerçekleştirilir. Bu, iyon taşıma ve kuantum işlemeye bölünecek bir kuantum algoritmasını gerektirir. Bu, kubitlerin uzayda sabitlendiği ve işlemin zaman içinde açılıp kapatılan elektrik sinyalleriyle yürütüldüğü süper iletken kübitler gibi diğer kuantum hesaplama mimarilerinden önemli ölçüde farklıdır.

Hata düzeltme

Şu anda Helios’ta kullanılan türün şablonu olan klasik şarj bağlantılı cihazlar, ilk dijital kameraların merkezi bileşeniydi. Bunları kuantum hesaplamada kullanmanın üç ana avantajı vardır.

Kapılar, kübitler üzerinde çalışan kuantum devrelerinin temel yapı taşlarıdır. QCCD yaklaşımının bir avantajı, belirli kübitler üzerinde çalışan kapıların komşularını etkilememesidir. Bu, “karışma” olarak bilinen bir olguyu azaltarak daha iyi performans sağlar.

İkinci avantaj ise hesaplama sırasında kübitleri ölçebilme ve sıfırlayabilme yeteneğidir. Bu, hesaplamadaki kaçınılmaz hataların mümkün olan en kısa sürede tespit edilip düzeltilmesini sağlar ve yine performansı artırır.

Son olarak, kübitlere işlendikten sonra (sınırlamalar dahilinde) belleğin çok farklı bölümlerine erişilebildiği ve bu kısımlara geri gönderilebildiği için, uzak kübitler birbirine bağlanarak daha verimli çalışmaya yol açabiliyor.

Helios cihazı yukarıdaki tüm avantajları gösterdi. Biri donanımda, diğeri yazılımda olmak üzere iki büyük ilerlemeye dayanıyor. Birincisi, dört yollu X bağlantısı, sistemin çok daha hızlı olan, tek seferde birden fazla görevi yerine getirmesine olanak tanır. Verileri yalnızca tek bir satır veya döngüde ileri geri hareket ettirebilen önceki QCCD makinelerinde bu imkansızdı.

İkincisi, X kavşağının iki boyutunun sunduğu özgürlüğün akıllıca kullanılması, Helios çalışma zamanı adı verilen ve verileri taşımak ve işlemek için en akıllı, en hızlı rotayı planlayan yeni klasik kontrol yazılımına dayanır.

Bunlar hep birlikte kuantum bilgisayar mühendisliğinde önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor. Önemli bir sonuç, Helios’un en büyük süper bilgisayarlarda bile gerçekleştirilemeyen hesaplamaları bilinen yöntemleri kullanarak makul süre ve güç tüketimi içerisinde gerçekleştirebilmesidir.

Hesaplama becerisi

Bu, bu cihazın ve ardıllarının, algoritmaları ve donanımları da hızla ilerlemesine rağmen, klasik bilgisayarların hesaplama becerilerini aşma yeteneğini gösteriyor.

Bununla birlikte, Helios’un hesaplamaları sadece rastgele kıyaslama testleridir, dolayısıyla bu ileri atılımın pratik önemi hala sınırlıdır. Bilim ve ticarette pratik öneme sahip kuantum hesaplamaları gerçekleştirmek için en iyimser tahminler bile kuantum bilgisayarların çok daha büyük ve daha iyi olması gerektiğini (bir milyon kübit düzeyinde) öne sürüyor.

Birleşik Krallık Ulusal Kuantum Stratejisi Misyonu 1, trilyonlarca operasyona sahip, hataya dayanıklı bir kuantum bilgisayarına (FTQC) sahip olmayı önermektedir. Referans olarak, Helios’un çalıştırdığı en uzun hesaplamada 98 kübitte yaklaşık 4.000 işlem vardı.

Helios cihazından veya bu konuda bilinen herhangi bir mimariden veya sistemden FTQC’ler oluşturmak zorlu bir zorluk olmaya devam ediyor. Rakamların da gösterdiği gibi, her biri binlerce kübit içeren binlerce QCCD cihazının kuantum bağlantıları aracılığıyla bağlanmasını gerektirecektir.

Binlerce veya daha fazla kubit üzerinde çalışabilen, şehir sokaklarını andıran iki boyutlu ızgara düzenine sahip QCCD cihazları için vizyonlar mevcuttur. Muazzam sayıda kavşak ve buna eşlik eden kübit sıkışmaları (trafik sıkışıklığına benzer şekilde) içeren böyle bir sistemi tasarlamanın ve çalıştırmanın kaçınılmaz zorluğuyla, bırakın üstesinden gelmek şöyle dursun, henüz karşılaşılmamıştır. Kübitlerin fiziksel olarak taşınması da çok yavaş bir süreç çünkü çok hassas voltajlar kullanıyor ve bu yalnızca daha büyük cihazlar ve daha fazla kübit ile artacak.

Şu an itibariyle Helios cihazı kuantum hesaplama alanında heyecan verici bir ilerlemedir. Geleceğin FTQC’leri ne şekilde olursa olsun, akıllı yazılımların desteklediği, yaratıcı bir şekilde tasarlanmış kuantum donanım cihazlarını içerecektir.