Kuantum mekaniksel etkilerden yararlanarak bilgiyi işleyen, saklayan veya ileten sistemler olan kuantum bilgi sistemleri, prensip olarak bazı optimizasyon, hesaplama, algılama ve öğrenme görevlerinde klasik sistemlerden daha iyi performans gösterebilir. Kuantum bilgi biliminin önemli bir yönü, bir sistemdeki kuantum durumlarının istenen (yani hedef) durumlarla eşleştiğini doğrulamak için güvenilir bir şekilde ölçülmesidir.
Kuantum durumlarını doğrulamaya yönelik geleneksel protokoller, deneysel olarak zorlu derin kuantum devrelerine veya üstel sayıda tek kübit ölçümüne dayanır. Bu, onları gerçek dünyadaki uygulamalar için, özellikle de daha büyük kuantum bilgi sistemlerinde yüksek derecede dolaşık durumları ölçmek için kullanışsız hale getiriyor.
Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’ndeki araştırmacılar yakın zamanda neredeyse tüm kuantum durumlarını ölçmek ve doğrulamak için kullanılabilecek daha ölçeklenebilir bir yaklaşım geliştirdiler. Bu yeni tanıtılan protokol, yayınlanan bir makalede sunulmuştur. Doğa Fiziğidaha önce önerilen yaklaşımlara göre önemli ölçüde daha az tek kübitli ölçüm ve hesaplamaya dayanır.
Makalenin yazarı Hsin-Yuan (Robert) Huang, CEİD’a şöyle konuştu: “İlk motivasyonumuz, kuantum durumlarının sinir ağı temsillerini doğrulama ihtiyacından kaynaklandı.” “Sinir ağlarının, son derece yüksek dolaşıklığa sahip olanlar da dahil olmak üzere çeşitli kuantum durumlarını temsil etme konusunda oldukça güçlü olduğu kanıtlandı. Ancak, ChatGPT gibi günlük üretken yapay zeka modellerinde olduğu gibi, bu modeller, gerçek verilerde mevcut olmayan kalıpları halüsinasyona uğratabilir.”
Bir derin öğrenme algoritması, bir kuantum durumunun deneysel ölçümleri üzerine eğitildikten sonra, bazen gerçek kuantum özellikleri yerine “yanlış” korelasyonları öğrenebilir; “halüsinasyon” olarak adlandırılan bir olgu. Bu sahte korelasyonları öğrenirse, söz konusu model artık bir kuantum durumunu güvenilir bir şekilde temsil edemeyecek veya ölçülen kuantum sistemi hakkında bilimsel sonuçlara varmaya yardımcı olabilecek içgörüler sunamayacak.
Huang, “Asıl amacımız, sinir ağı modelinin laboratuvar durumunu sadık bir şekilde temsil ettiğini doğrulamak için titiz bir yaklaşım geliştirmek ve bilim adamlarının bu modelleri kuantum araştırmaları için güvenle kullanabilmelerini sağlamaktı” dedi.
Huang ve meslektaşları tarafından geliştirilen yeni protokol şaşırtıcı derecede basit olmasına rağmen şu ana kadar oldukça etkili olduğu kanıtlandı. Temel olarak bu yaklaşım, incelenen kuantum sisteminden rastgele bir kübit seçilerek ve bu kübitte rastgele seçilen bir Pauli operatörünü (yani kuantum gözlemlenebilir üç önemli özellikten birini) ölçerken, diğer tüm kübitleri standart bir temelde ölçerek çalışır.
Huang, “Bu prosedürü polinom sayısı kadar tekrarlayarak, ölçüm verilerinin hedef durumun laboratuvar durumuyla eşleşip eşleşmediğini etkili bir şekilde doğruladığını kanıtlıyoruz” diye açıkladı. “En önemli avantajı, bunun yalnızca tek kübitlik ölçümler gerektirmesidir. Protokolümüzü uygulamak için hiçbir gelişmiş kuantum hesaplama kabiliyetine veya dolaşma işlemine gerek yoktur. Ayrıca, bu basit tek kübitlik ölçümlerin, üstel olarak yüksek devre karmaşıklığı ve maksimum dolaşıklığa sahip olanlar bile dahil olmak üzere neredeyse tüm hedef durumlar için işe yaradığını kanıtlıyoruz.”
Araştırmacılar, bireysel kübitleri bu rastgele şekilde ölçmenin, çok kübitli bir sistemin hedef kuantum durumuna yakın olup olmadığını belirlemelerine olanak sağladığını gösterdi. Özellikle makaleleri, yaklaşımlarının neredeyse tüm kuantum durumlarının doğrulanmasına uygulanabileceğini öne sürüyor.
Huang, “Bu, yerel tek kübit ölçümlerinin tüm sistemi kapsayan karmaşık dolaşıklığı ve kuantum korelasyonlarını ortaya çıkarabileceği anlamına geliyor” dedi. “Bu çalışmadan önce, hakim anlayış, bu tür yerel ölçümlerin yalnızca yerel korelasyonları araştırabileceği, ancak çok cisimli sistemin tamamı boyunca yüksek derecede yerel olmayan dolaşıklık gibi küresel kuantum özelliklerini inceleyemeyeceği yönündeydi. Sonuçlarımız bu perspektifi temelden değiştiriyor ve basit yerel ölçümlerin küresel kuantum yapısı hakkında önceden bilinenden çok daha fazla bilgi içerdiğini gösteriyor.”
Huang ve meslektaşları tarafından tanıtılan yeni protokol, yakında laboratuvar tarafından oluşturulan çeşitli kuantum sistemlerini içeren testlerle daha da doğrulanabilir. Diğer araştırma ekipleri de geliştirdikleri sistemlerde ortaya çıkan kuantum durumlarını ölçmek için bu yaklaşımı kullanabilir veya benzer yaklaşımlar tasarlayabilir.
Huang, “Artık tek kübitlik ölçümlerin son derece yerel olmayan dolaşıklık yapısını ortaya çıkarmak için yeterli olduğu yönündeki bu şaşırtıcı gerçeğin daha geniş sonuçlarını araştırıyoruz” diye ekledi.
“Bu, kuantum cihazlarının karşılaştırılmasına yönelik gelişmiş protokollerin geliştirilmesini, kuantum durumlarının sinir ağı modellerinin doğrulanmasını ve sertifikasyonun kuantum dinamiği ve kuantum kanalları gibi diğer kuantum nesnelerine genişletilmesini içerecektir. Ayrıca yerel ölçümlerden öğrenilebileceklerin temel sınırlarını anlamak ve bu içgörülerden yararlanan etkili kuantum öğrenme algoritmaları geliştirmekle de ilgileniyoruz.”
Sizin için yazarımız Ingrid Fadelli tarafından yazılan, Gaby Clark tarafından düzenlenen ve Robert Egan tarafından gerçekleri kontrol edilen ve gözden geçirilen bu makale, insanların dikkatli çalışmasının sonucudur. Bağımsız bilim gazeteciliğini canlı tutmak için sizin gibi okuyuculara güveniyoruz. Bu raporlama sizin için önemliyse lütfen bağış yapmayı düşünün (özellikle aylık). Bir alacaksın reklamsız bir teşekkür olarak hesaplayın.
