Rastgele erişimli kuantum belleği, bir işlemcinin yedi depolama hücresi arasından seçim yapmasına olanak tanır

Klasik bilgisayarlar, belirli görevleri gerçekleştirmek için gereken bilgileri RAM (rastgele erişim belleği) olarak bilinen kısa süreli bellek bileşeninde geçici olarak saklayabilir. Bu bileşen, bilgisayar işlemcilerinin, depolanan tüm verilerde arama yapmadan seçilen bir konumdan bilgi almasına olanak tanır.

Ancak mevcut süper iletken tabanlı kuantum bilgisayarların çoğunda ayrı bir RAM benzeri bileşen bulunmuyor. Bunun nedeni, klasik bilgisayarlarda işlemciler ve bellek bileşenlerinin ayrı olmasına karşın, süper iletken kuantum bilgisayarların çoğunun, bilgiyi depolamak ve işlemek için aynı donanıma dayanmasıdır.

Stanford Üniversitesi, Chicago Üniversitesi, SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ve diğer kurumlardaki araştırmacılar, rastgele erişimli kuantum belleği görevi görebilecek yeni bir cihaz tasarladılar. Cihazları, yayınlanan bir makalede sunuldu. Doğa Fiziğiayrı bellek bileşenlerine ve daha az sinyal taşıyan bağlantıya sahip kuantum bilgisayarların önünü açabilir.

Makalenin kıdemli yazarı David I. Schuster, CEİD’a şunları söyledi: “Kuantum bilgisayarlarda her kübit bir işlemci bitidir ve her birinin kendi mikrodalga elektroniğine ve zaten kalabalık olan bir buzdolabına giden kablolara ihtiyacı vardır.”

“Her ilave kübit başka bir kontrol donanımı setine mal olursa, ölçeklendirme bir fizik problemi olmaktan çıkıp bir mühendislik problemi haline gelir.”

Yenilikçi bir kuantum bellek tasarımı

Süper iletken tabanlı kuantum bilgisayarlara kompakt bellek bileşenleri sağlamak için Schuster ve meslektaşları uzun süredir birçok modu aynı anda destekleyen mikrodalga boşlukları geliştirmeye çalışıyorlar. Bu bağlamda modlar, mikrodalga enerjisinin bir boşluk içinde salınabildiği farklı modellerdir ve her mod, ayrı bir veri depolama alanı olarak hizmet edebilir.

Schuster, “İçinde aynı anda birçok ayrı notanın çalabileceği, her biri bir kübit değerinde bilgiyi tutabilen ve her biri onu uzun süre tutabilen metal bir kutu düşünün” diye açıkladı.

“Açık düşünce, her notayı farklı bir hafıza kübitini temsil edecek şekilde kullanmaktır. Engel her zaman kontrol olmuştur: Onlara yazmak için onları transmon adı verilen süper iletken bir kübite bağlamanız gerekir ve bir transmon, bağladığı nesneler arasında etkileşimler yaratır. Bu, onu hesaplamada iyi yapan şey ve depolamaya çalıştığınız hassas durumları tam olarak rahatsız eden şey.”

Uzun süredir devam eden bu sorunu çözmek için araştırmacılar, kuantum işlemci ile hafızayı doğrudan bağlamak yerine arasına bir tampon yerleştirmeyi önerdiler. Tasarladıkları cihazın dört temel bileşeni var: bir transmon, çok modlu bir alüminyum boşluk, bir tampon boşluğu ve tampon ile seçilen bir bellek hücresi arasında kuantum durumlarının aktarılması için ayarlanabilir bir bağlayıcı.

Schuster, “Transmon hesaplamayı yapıyor, çok modlu alüminyum boşluğun ayrı ayrı adreslenebilir bellek hücreleri olarak görev yapan yedi modu var ve aralarındaki tampon boşluğu daha çok bir önbellek veya çalışma tezgahı gibi çalışıyor” diye açıkladı Schuster.

“Bir hafıza hücresi seçmek, bir radyoyu bir istasyona ayarlamak gibidir. Doğru frekansta bir kontrol tonu uygularız ve bu, kuantum durumunu seçilen hücreden tampon belleğe aktaran bir değişimi etkinleştirir. Transmon orada çalışır ve onu geri yazmak için süreç tersten çalışır. Değiştirme yaklaşık yarım mikrosaniye sürer ve diğer altı hücre tam olarak oldukları yerde kalır.”

Takımın tasarımının belirleyici özelliği, transmon ile boşluk arasına yerleştirilen tampondur. Bu tampon, güçlü bir şekilde etkileşime giren transmonu boşluk bazlı depolama katmanından ayrı tutarak belleğin tutarlılığını korumasına yardımcı olur.

Makalenin ilk yazarlarından Eesh Gupta, “Hızlı işlemleme, birleşik anıları bozabilecek parazit etkileşimlerini ortaya çıkarıyor” dedi. “Kademeli tasarımımızda, arabellek bunları etkili bir şekilde koruyor ve böylece işlemciden ve belleklerden en iyi verimi elde edilmesini sağlıyor.”

Araştırmacılar cihazlarının bir prototipini oluşturdular ve ardından performansını değerlendirdiler. Testlerinde, rastgele işlemler uygularken yedi hafıza hücresine binlerce kez tekrar tekrar erişerek hataların nasıl biriktiğini ölçtüler.

Her erişim işleminin, bellek modu başına yaklaşık %1,2’lik bir ortalama hataya yol açtığını buldular. Daha ileri testler, modlar arasındaki istenmeyen etkileşimlerin önemli bir hata kaynağı olduğunu gösterdi ve tasarımlarının nasıl geliştirilebileceğine dair ipuçları verdi.

Makalenin ilk yazarlarından Ziqian Li, “Bir işlemci birçok depolanmış kuantum durumuna hizmet edebildiğinde ölçeklendirme çok daha pratik hale geliyor” dedi. “Deneyimiz, talep üzerine bir kuantum hafıza bankasına nasıl ulaşılacağını gösteriyor ve kontrol donanımında aynı büyüme olmadan daha mantıksal kubitlere giden yolu açıyor.”

Cihazı ölçeklendirmek ve geliştirmek için sonraki adımlar

Bu çalışma, RAM’in kuantum eşdeğerini gerçekleştirmenin aslında mümkün olduğunu göstermektedir. Araştırmacılar tarafından geliştirilen cihaz, gelecekteki kuantum bilgisayarların, her bellek hücresi için ayrı bir kontrol kablosu setine ihtiyaç duymadan daha fazla bilgi depolamasına olanak tanıyabilir.

Gupta, “Cihazımızın yedi hafıza hücresi var ve bunların herhangi biri talep üzerine tek bir transmon aracılığıyla çağrılabiliyor” dedi. “Bireysel takaslar yaklaşık %99,3 doğrulukla çalışıyor ve tam bir okuma-işletme-yazma döngüsü, kullanılan hücrede kabaca %1,2 hataya mal oluyor. Bu, hatanın tek kaynağı bellek olsaydı, mevcut hata düzeltme tekniklerinin buna ayak uydurabilmesi için yeterince iyi.

“Yeterince iyi belleğe sahip bir mimari, daha iyi bağlantının yanı sıra birçok kez daha az kontrol hattıyla aynı mantıksal kapasiteye ulaşabilir.”

Gelecekte ekip, cihazı daha da geliştirebilir ve depolanan bilgileri korumak için onu kuantum hata düzeltmeyle eşleştirebilir. Sonunda çalışmaları, bilgiyi daha güvenilir bir şekilde depolayabilen yeni kuantum bilgisayarların geliştirilmesine katkıda bulunabilir.

Makalenin kıdemli yazarı David Schuster, “Klasik bilgisayarlarda transistörlerin %99’undan fazlası mantık yerine bellek için kullanılırken, mevcut süper iletken işlemcilerde bellek kavramı yoktur” dedi. “Bellek ve işleme konusunda uzmanlaşarak her birini daha iyi ve daha ucuz hale getirebileceğimizi, kuantum bilgisini tam olarak hesaplamanın ihtiyaç duyduğu anda elde edebileceğimizi umuyoruz.”

Schuster ve meslektaşları, sistemlerindeki potansiyel hata kaynaklarını zaten belirlediler. Topladıkları bilgiler, daha fazla bellek hücresi eklense bile bilgiyi daha güvenilir şekilde koruyan gelecekteki sürümlerin geliştirilmesine rehberlik edebilir.

Li, “Sadece kullanılan hücreyi değil aynı zamanda depoda boşta duran her hücreyi takip ettik, bu da doğruluğun tam olarak nereye gittiğini görmemizi sağladı” dedi. “Baskın kayıp, bozulma ya da kesin olmayan bir kontrol değil; modların birbirleriyle zayıf bir şekilde etkileşime girmesi, dolayısıyla bir tanesi üzerinde çalışmak diğerlerini hafifçe adım dışına itmesidir. Bu bize tam olarak neyi düzeltmemiz gerektiğini, yani anıları daha iyi izole etmek için bağlaştırıcıları iyileştirmemiz gerektiğini söyler ve bize hücreler eklendikçe hataların nasıl büyüyeceğini söyler.”

Araştırmacılar, ilk bulgularından yola çıkarak şu anda cihazlarını kuantum hata düzeltme teknikleriyle nasıl birleştireceklerini araştırıyorlar.

Schuster, “Bellek oluşturmanın asıl nedeni hata düzeltmedir” diye ekledi. “Şimdi hem belleği hem de kuantum işlemeyi geliştirmek için bu tür belleğin kuantum hata düzeltme algoritmalarıyla nasıl birlikte tasarlanabileceğini araştırıyoruz.”