Tek bir ölçüm kuantum bitlerini daha güvenilir hale getirir

Regensburg Üniversitesi’ndeki araştırmacılar ve uluslararası ortakları, kuantum bitlerindeki hataları önemli ölçüde azaltmanın bir yolunu buldular. Bir deneyde, bir dizi kuantum işleminden önce yapılacak tek bir ek ölçümün hata oranını yarıdan fazla azaltabildiğini gösterdiler. Sonuçlar şurada yayınlandı: Uygulamalı Fizik İncelemeleri.

Kuantum bilgisayarlar, günümüz bilgisayarlarının ulaşamayacağı sorunları çözmek için umut verici bir teknoloji olarak kabul ediliyor. Ancak temel zorluklarından biri, kuantum bitleri olarak bilinen temel yapı taşlarının bozulmalara karşı son derece duyarlı olmasıdır.

Genellikle kübit olarak kısaltılan kuantum biti, kuantum bilgisayarındaki temel bilgi birimidir ve geleneksel bilgisayardaki bitinkine benzer bir rol oynar. Klasik bitler bilgiyi 0 veya 1 olarak depolarken, kübitler kuantum mekaniği kanunlarına tabi fiziksel sistemler tarafından gerçekleştiriliyor. Bu çalışmada kübit, mikrodalga sinyalleri kullanılarak kontrol edilen bir çip üzerindeki küçük bir süper iletken elektrik devresinden oluşuyordu.

Bir kübitin ayarı bozulduğunda

Bir kübitin ortamındaki çok küçük değişiklikler bile onun özelliklerini değiştirebilir ve hatalara neden olabilir. Araştırmacılar, rezonans frekansı adı verilen frekansın bilinen iki değer arasında kontrolsüz bir şekilde geçiş yaptığı süper iletken bir kubit üzerinde yoğunlaştı.

Rezonans frekansı, kübiti yüksek hassasiyetle kontrol etmek için hangi mikrodalga sinyallerinin kullanılabileceğini belirler. Frekans değişirse kontrol sinyallerinin buna göre ayarlanması gerekir.

Bunu bir müzik enstrümanı olarak düşünmenin bir yolu da budur. Bir enstrümanın akordu biraz bozulursa, aynı hareketler artık tam olarak amaçlanan notaları üretmez. Benzer şekilde, bir kübitin rezonans frekansı değiştiğinde kontrol sinyallerinin kesinliği azalır ve hata olasılığı artar.

Daha da önemlisi, bu iki frekans kübitin farklı hesaplama durumlarını temsil etmiyor. Aksine, bunlar aynı fiziksel cihazın iki olası özelliğidir. Kübit, her iki frekansta da hesaplama için gereken kuantum durumlarını işgal etme kapasitesine sahip olmaya devam ediyor.

Frekans değişimi, kübit ile malzemedeki küçük kusurlar arasındaki etkileşimlerden kaynaklanıyor. İki olası frekans bilinmesine rağmen, belirli bir anda hangisinin aktif olduğunu belirlemek ve kontrol sinyallerini buna göre ayarlamak hala bir zorluktu.

Hesaplamadan önce hızlı bir frekans kontrolü

Yeni yöntemin devreye girdiği yer burasıdır. Araştırmacılar, bir dizi kuantum işlemi gerçekleştirmeden önce hangi frekansın aktif olduğunu belirlemelerine olanak tanıyan bir teknik geliştirdiler.

Bunu yapmak için önce kübiti kuantum halinde hazırlıyorlar ve kısa bir süre boyunca gelişmesine izin veriyorlar. Evrim, hangi rezonans frekansının mevcut olduğuna bağlıdır. Daha sonra son bir ölçüm, iki olasılık arasında ayrım yapmak için gereken bilgileri sağlar.

Sonuç hemen sonraki kontrol sinyallerini ayarlamak için kullanılır. Bu yaklaşım geri bildirim olarak bilinir çünkü ölçümden elde edilen bilgi doğrudan sistemin kontrolüne geri beslenir.

Önceki çalışmalar, böyle bir kübitin iki olası frekansının ayırt edilebileceğini zaten göstermişti. Yeni çalışma çok önemli bir adım daha ileri götürüyor: Bilgiler, kübit kontrolünü optimize etmek ve hataları azaltmak için gerçek zamanlı olarak kullanılıyor.

Hata oranı yarıdan fazla azaldı

Deneyler, İsrail Kuantum Hesaplama Merkezi’nde süper iletken bir kuantum devresi kullanılarak gerçekleştirildi. Ölçüm verileri gerçek zamanlı olarak işlenerek kontrol sinyallerinin anında güncellenmesi sağlandı.

Yöntemin etkinliğini değerlendirmek için araştırmacılar, kübitin performansını geri bildirimli ve geri bildirimsiz karşılaştırdılar. Ayarlama yapılmazsa kuantum operasyonlarının kalitesi zaman içinde önemli ölçüde dalgalandı. Geri bildirim etkinleştirildiğinde, kübit yüksek doğrulukla tutarlı bir şekilde performans gösterdi.

Ortalama hata oranı yaklaşık %0,14’ten %0,065’e düştü, bu da yaklaşık %54’lük bir azalmaya karşılık geldi. Geri bildirim olmadan gözlemlenen en büyük hatayla karşılaştırıldığında azalma %77’ye ulaştı.

Daha güvenilir kuantum bilgisayarlara doğru

Yöntem şu anda belirli koşullar altında çalışmaktadır. Olası frekansların önceden bilinmesi ve birbirlerinden yeterince farklı olması gerekir. Ayrıca güncellenen kontrol sinyallerinin etkili olabilmesi için frekansın yeterince uzun süre sabit kalması gerekir. Bununla birlikte çalışma, tek bir ek ölçümün kübitin güvenilirliğini önemli ölçüde artırabileceğini gösteriyor.

Ferdinand Kuemmeth, “İlk bakışta bu, pratik değeri sınırlı bir prensip kanıtı gösterisi gibi görünebilir” diyor. Uzun vadede, kuantum malzemeleri giderek daha temiz hale geldikçe, milyonlarca neredeyse mükemmel kübitin aynı anda çalıştırılması gerekecek ve bunlardan bazıları muhtemelen kalan birkaç malzeme kusuruyla etkileşime girecek.

Kuemmeth, “Yeni ortaya çıkan kuantum hesaplama ölçeklendirme çağında, yöntemlerimizin çok değerli hale geleceğine ve kuantum bilgisayarların gerçek hesaplama gücü üzerinde somut bir etki yaratacağına inanıyorum. Aslında, bilinmeyen kubit frekanslarını otomatik ve verimli bir şekilde tespit etmek için gereken yöntemleri zaten geliştirdik” diyor.

Regensburg Üniversitesi’nde deneysel fizik profesörü ve Kopenhag Üniversitesi Niels Bohr Enstitüsü’nde yardımcı profesördür ve çalışmayı yönetmiştir. Araştırmaları kuantum bilgi işlemeye yönelik yarı iletken ve süper iletken kuantum aygıtlarına odaklanıyor.

Araştırmacılar bunu gelecekteki kuantum işlemcilerdeki kaçınılmaz malzeme kusurlarının etkilerini azaltmak, kübitlerin stabilizasyonunu otomatikleştirmek ve böylece kuantum bilgisayarların ölçeklendirilmesini kolaylaştırmak için umut verici bir yaklaşım olarak görüyorlar.

İsrail Kuantum Bilgi İşlem Merkezi’ndeki kuantum bilgisayar donanımını Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki (MIT) ofisinden uzaktan çalıştıran Fabrizio Berritta, “Kuantum bilgisayarların ticari değerinin, günümüzün kuantum bilgisayarlarını, kubit performansından ve kontrol doğruluğundan ödün vermeden çok daha büyük kübit sayılarına ölçeklendirmeye dayandığı giderek daha açık hale geliyor. İşte tam da bu nedenle verimli, otonom, gerçek zamanlı kubit kontrolü her zamankinden daha önemli hale geliyor” diye ekliyor.

Berritta, QuARTEC projesi aracılığıyla Regensburg Üniversitesi’nin ev sahipliği yaptığı Marie Skłodowska-Curie doktora sonrası araştırmacısıdır ve şu anda MIT’nin Mühendislik Kuantum Sistemleri grubunda çalışmaktadır ve uyarlanabilir kuantum hata düzeltmesi ve kübit kalibrasyonu üzerinde çalışmaktadır.