Helios-1 kuantum bilgisayarını kullanan araştırmacılar, mükemmel iletkenliğe yönelik bir modelin ilk ve en büyük kuantum simülasyonunu çalıştırmak için rekor sayıda hataya dayanıklı kübit kullandılar
Helios-1 kuantum hesaplama çipi
Kuantum bilgisayar firması Quantinuum’daki araştırmacılar, uzun süredir süperiletkenliği incelemek için kullanılan bir matematiksel modeli simüle etmek için yeni bir Helios-1 kuantum bilgisayarını kullandı. Bu simülasyonlar geleneksel bilgisayarların ulaşamayacağı bir şey değil ancak bu ilerleme, kuantum bilgisayarların malzeme bilimi için kullanışlı araçlar haline gelmesine zemin hazırlıyor.
Süper iletkenler elektriği mükemmel bir verimlilikle iletirler ancak şu anda yalnızca pratik olamayacak kadar düşük sıcaklıklarda çalışmaktadırlar. Onlarca yıldır fizikçiler, oda sıcaklığında çalışabilmeleri için yapılarını nasıl değiştireceklerini anlamaya çalışıyorlar ve birçoğu cevapların Fermi-Hubbard modeli adı verilen matematiksel bir çerçeveden geleceğine inanıyor. Quantinuum’dan Henrik Dreyer, bu potansiyelin onu tüm yoğun madde fiziğindeki en önemli modellerden biri haline getirdiğini söylüyor.
Geleneksel bilgisayarlar, Fermi-Hubbard modelinin olağanüstü simülasyonlarını çalıştırabilir, ancak çok büyük örneklerle veya tanımladığı malzemelerin zaman içinde değiştiği durumlarla mücadele eder. Kuantum bilgisayarların eninde sonunda daha iyisini yapma şansı var. Şimdi Dreyer ve meslektaşları Fermi-Hubbard modelinin şimdiye kadarki en büyük simülasyonunu kuantum bilgisayarda çalıştırdılar.
Her biri lazerler ve elektromanyetik alanlarla kontrol edilen, baryum iyonlarından yapılmış 98 kübite sahip Helios-1’i kullandılar. Bir simülasyon yürütmek için araştırmacılar, kübitleri bir dizi kuantum durumu boyunca manipüle ettiler, ardından özelliklerini ölçerek çıktıyı okudular. Simülasyonları, gerçek süperiletkenlerde bulunan ve matematiksel olarak Fermi-Hubbard modeliyle tanımlanan parçacık türü olan, fermiyon adı verilen 36 parçacığı içeriyordu.
Bir süperiletkenin çalışması için fermiyonların eşleşmesi gerekir ve deneyler, bu tür bir eşleşmenin bazen bir malzemeye lazerle vurulmasıyla başlatılabileceğini buldu. Quantinuum’un ekibi bu senaryoyu simüle etti; kübitlerini bir lazer darbesiyle vurdular, ardından ortaya çıkan durumları ölçtüler ve simüle edilen parçacıkların eşleşmesine dair işaretler buldular. Simülasyon, deneyleri tam olarak kopyalamadı ancak birkaç parçacıktan fazlasına uygulandığında geleneksel bilgisayar yöntemleri için zor olan dinamik bir süreci yakaladı.
Dreyer, yeni deneyin Helios-1’in olası tüm geleneksel hesaplama yaklaşımlarına göre bir avantaja sahip olduğunun kesin bir kanıtı olmadığını, ancak klasik simülasyon yöntemlerini keşfetmenin ekibini bir kuantum bilgisayarın rekabet edebileceğine ikna ettiğini söylüyor. “Denediğimiz yöntemlerde aynı sonuçları güvenilir bir şekilde elde etmek imkansızdı; kuantum bilgisayarda birkaç saate bakıyorduk ve klasik açıdan büyük bir soru işaretiyle karşı karşıyaydık” diyor. Başka bir deyişle, ekibin klasik hesaplama sürelerine ilişkin tahminleri o kadar uzundu ki bunların ne zaman Helios’un çalışmasıyla karşılaştırılabileceğini söylemek zordu.
Sıkışan iyonlar Helios-1 çipinde kübit görevi görüyor
Diğer kuantum bilgisayarlar, süperiletkenliğe ulaşmak için fermiyon eşleştirme simülasyonlarını henüz ele almadı ve ekip, başarılarını Helios’un donanımına borçlu. Yine Quantinuum’dan David Hayes, Helios’un kübitlerinin son derece güvenilir olduğunu ve kuantum bilişim endüstrisinde yaygın olarak kullanılan kıyaslama görevlerinde mükemmel olduğunu söylüyor. Ön testlerde, tüm kuantum bilgisayarlarda bir rekor olan, bu özel kübitlerin 94’ünün kuantum dolaşma yoluyla bağlanması da dahil olmak üzere, hatasız kübitlerle yapılan deneyleri de sürdürebilir. Gelecekteki simülasyonlarda bu tür kübitlerin kullanılması, bunların daha doğru olmasını sağlayabilir.
Kaliforniya’daki Harvey Mudd Koleji’nden Eduardo Ibarra García Padilla, yeni sonuçların ümit verici olduğunu ancak yine de son teknoloji ürünü klasik bilgisayar simülasyonlarıyla dikkatli bir şekilde karşılaştırılmaları gerektiğini söylüyor. Fermi-Hubbard modelinin 1960’lardan bu yana fizikçilerin büyük ilgisini çektiğini, dolayısıyla onu incelemek için yeni bir araca sahip olmanın heyecan verici olduğunu söylüyor.
Irvine’deki California Üniversitesi’nden Steve White, Helios-1’de kullanılanlara benzer yaklaşımların ne zaman en iyi geleneksel bilgisayarlara gerçek rakipler haline geleceğini herkes tahmin edebilir, çünkü daha birçok ayrıntının ortadan kaldırılması gerekiyor, diyor. Örneğin, kuantum bilgisayar simülasyonunun doğru kübit özellikleriyle başlamasını sağlamanın zorlukları olduğunu söylüyor. Ancak White, kuantum simülasyonlarının, özellikle malzemelerdeki dinamik veya değişen davranışlar açısından klasik simülasyonları tamamlayıcı hale gelebileceğini söylüyor.
“Yoğun madde (fizik) konusunda faydalı simülasyon araçları olma yolundalar” diyor. “Fakat henüz başlangıç aşamasındalar ve henüz gelmemiş olan hesaplama engelleri var.”
Referans: arXivDOI: 10.48550/arXiv.2511.02125
