Bilim insanları, birden fazla silikon qubit’i aynı anda olağanüstü doğrulukla çalıştırmanın yolunu buldu ve bu da kuantum bilgisayarlarını ölçeklendirmenin önündeki büyük bir engeli aştı. Yeni teknik, beş qubit de aynı anda çalışırken bile yaklaşık yüzde 99,9 doğruluk sağladı ve daha büyük, daha güçlü kuantum işlemcilerinin önünü açtı.
Silikon spin qubit’leri, günümüz bilgisayar çiplerini üreten yöntemlerle aynı yarı iletken üretim yöntemleriyle üretilebildiği için kuantum hesaplamanın geleceğinde önemli rol oynayabilir. Ancak araştırmacılar önemli bir zorlukla karşı karşıya kaldı. Birden fazla silikon qubit aynı anda kontrol edildiğinde işlemlerin doğruluğu azalıyor. Pratik, büyük kuantum bilgisayarları inşa etmek için bilim insanlarının çok sayıda qubit’i aynı anda kontrol ederken hataları en aza indirmesi gerekiyor.
RIKEN Center for Emergent Matter Science’daki araştırmacılar ve iş birlikçileri bu sorunun çözümüne yönelik önemli ilerleme kaydetti. Nature Physics’te yayımlanan çalışmada ekip, aynı anda çalışan birkaç silikon spin qubit’inin son derece doğru kontrolünü gösterdi. Deneyler, ortak bir mikrodalga kontrol hattına bağlı beş qubit’lik bir dizide yapıldı. Bilim insanları, eş zamanlı çalışmadaki hataların büyük bir nedenini tespit ederek bu hataları azaltan ve hassasiyeti koruyan bir teknik geliştirdi.
Deneyleri denetleyen RIKEN araştırma bilim insanı ve eş birinci yazar Leon Camenzind sonuçların önemini şöyle açıklıyor: "Bu, birkaç qubit aynı anda çalıştırılırken bile yüksek sadakatli kontrolün sürdürülebileceğini gösteriyor ve silikon tabanlı kuantum işlemcilerini ölçeklendirmeye doğru önemli bir adım."
Bilim insanları kuantum bilgisayar hatalarının gizli bir kaynağını tespit etti
Klasik bilgisayarlar bilgiyi 0 veya 1’i temsil eden bitler olarak saklarken, kuantum bilgisayarlar hem iki durumun kombinasyonunda bulunabilen qubit adı verilen kuantum bitlerini kullanır. Silikon spin qubit’leri bu bilgiyi silikonda hapsedilmiş tek tek elektronların spinini kullanarak depolar. Güvenilir kuantum hesaplamaları yapmak için bu elektron spinleri üzerinde son derece hassas kontrol gerekir.
Mikrodalga sinyalleri bu kontrolü sağlar, ancak birden fazla qubit’in eş zamanlı çalıştırılması doğruluğunu bozan istenmeyen etkilere yol açabilir. Araştırmacılar bu sorunun büyük kısmını AC Stark kayması adı verilen bir olguya bağladı.
Bu etki, mikrodalga kontrol sinyallerinin bir qubit’in etkin enerji seviyelerini değiştirmesi ve kuantum durumunun fazında değişiklikler üretmesiyle ortaya çıkar. Bu faz kaymaları, özellikle birkaçının aynı anda kontrol edildiği durumlarda tek tek qubit’lerin amaçlanan işlemini bozabilir.
Sorunu gidermek için ekip, bu istenmeyen kaymaları telafi eden bir kalibrasyon yöntemi oluşturdu. Her olası qubit kombinasyonunu ayrı ayrı kalibre etmek yerine teknik, daha büyük sayıda kuantum biti içeren sistemler için daha pratik hale getiren qubit çiftleri arasında yapılan kalibrasyonlara dayanır.
Deneyleri doktora araştırması kapsamında yürüten birinci yazar Yi-Hsien Wu şöyle açıklıyor: "Her olası qubit kombinasyonu için tamamen ayrı bir kalibrasyon prosedürü gerektirmek yerine, yöntemimiz istenmeyen faz kaymalarını telafi etmek için qubit çiftleri arasındaki kalibrasyonları kullanıyor."
Kuantum qubit’ler yüzde 99,99’un üzerinde doğruluk sağladı
Araştırmacılar kalibrasyon tekniklerini geliştirilmiş bir cihaz tasarımı ve dikkatle ayarlanmış mikrodalga kontrol darbeleriyle birleştirdi. Sonuçlar, birden fazla qubit aynı anda çalışırken bile son derece yüksek doğruluğun sürdürülebileceğini gösterdi.
Beş qubit tek tek test edildiğinde her biri tek qubit kapı sadakati olarak yüzde 99,99’un oldukça üzerinde değer elde etti, en yüksek değer yüzde 99,999’a yaklaştı. Sadakat, bir kuantum işleminin amaçlanan sonuca ne kadar yakın olduğunu tanımlar.
Ekip daha sonra birkaç qubit aktifken sistemin ne kadar iyi performans gösterdiğini test etti. Aynı anda üçe kadar qubit çalışırken sadakat yüzde 99,99’un üzerinde kaldı. Beş qubit birden kontrol edildiğinde bile doğruluk yaklaşık yüzde 99,9’da kaldı ve pratik hataya dayanıklı kuantum hesaplaması için gereken seviyelere yaklaştı.
Kalibrasyon yöntemi hataları büyük ölçüde azalttıysa da tamamen ortadan kaldırmadı. Araştırmacılar, doğruluk kaybının kalan kısmının sürüş kaynaklı dekoherans ile bağlantılı olduğunu buldu; bu etki, birden fazla qubit’i aynı anda çalıştırmak için gereken daha yüksek mikrodalga gücünden kaynaklanıyor.
Yeni teknikle düzeltilen istenmeyen faz kaymalarının aksine, dekoherans güvenilir işlemler için gereken hassas kuantum koheransının kaybını içerir.
Camenzind’e göre, "Bu bir sınırlama, ancak cihaz tasarımındaki daha fazla iyileştirme bu hata kaynağını hafifletmeye yardımcı olabilir."
Daha büyük kuantum işlemcilerine doğru yeni bir yol
Bulgular, birkaç silikon spin qubit’ini aynı anda kontrol etmenin doğruluğu önemli ölçüde feda etmeyi gerektirmediğini gösteriyor. Araştırmacılar, hataların kilit bir kaynağını düzelterek ortak mikrodalga kontrol hatları üzerinden daha fazla qubit’i çalıştırma için umut verici bir yaklaşım gösterdi.
Bu, büyük kuantum işlemcilerinin geliştirilmesi için özellikle önemli. Her qubit’e kendi bağımsız kontrol sistemi vermek, giderek karmaşıklaşan cihazları yönetmeyi zorlaştırır. Ortak kontrol hatları, bu sistemleri hassasiyetten ödün vermeden genişletmenin daha pratik bir yolu olabilir.
Camenzind şöyle diyor: "Eşleştirme kalibrasyonu yoluyla kontrol hatalarının kilit bir kaynağını ele alarak, çalışmamız ölçeklendirme için ortak kontrol hatlarının pratik bir yaklaşım olarak kullanılmasını destekliyor. Silikonun yerleşik yarı iletken üretimle uyumluluğuyla birleştiğinde, bu ilerlemenin giderek daha karmaşık hesaplamalar yapabilen daha büyük kuantum işlemcilerinin önünü açmasına yardımcı olabileceğine inanıyoruz."
Daha geniş hedef, kuantum sistemlerini etkileyen hatalara ve rahatsızlıklara rağmen güvenilir hesaplamalar yapabilen kuantum bilgisayarları geliştirmektir. Hata toleranslı kuantum bilgisayarları olarak bilinen bu makineler, çok sayıda qubit üzerinde hassas ve güvenilir kontrol gerektirecektir.
JST’nin Moonshot Goal 6 kapsamında silikon kuantum bilişim projesinin proje yöneticisi Seigo Tarucha ekliyor: "Uzun vadeli hedefimiz silikon spin qubit’lerine dayalı hata toleranslı bir kuantum bilgisayarı inşa etmek ve güvenilir paralel kontrol bu hedefe ulaşmak için temel bir adım."
