Kuantum bilgisayarlar hatalara ve çevrelerinden gelen küçük rahatsızlıklara karşı son derece savunmasız kalıyor. Bir kuantum işleminin tamamlanması ne kadar uzun sürerse, hataların birikmesi için o kadar fazla zaman oluşuyor. İsveç’teki Chalmers Teknoloji Üniversitesi araştırmacıları şimdi geniş bir yelpazedeki ileri kuantum işlemlerini binden fazla kez daha hızlı gerçekleştirebilen bir yöntem geliştirdi. Bu ilerleme alanda önemli bir engeli aşıyor ve kuantum bilişimi hataya dayanıklı hale getirmeye yaklaştırıyor.
Kuantum bilgisayarlar ilaç keşfi, enerji teknolojisi, kriptografi, yapay zekâ ve lojistik gibi alanları dönüştürebilir. Bunun gerçekleşmesi içinse bu makinelerin çok daha güvenilir hale gelmesi gerekiyor.
Neden Kuantum Bilgisayarlar Bu Kadar Hata Eğilimli
Temel zorluk, kuantum hesaplamaların son derece küçük çevresel etkilerle bozulabilmesidir. Elektriksel gürültü, kozmik radyasyon ve ısınma, bilgi işlenirken hatalara yol açabilir.
Geleneksel bilgisayarlar da hata yapabilir, ancak onlarca yıllık geliştirme sonucu hataları hızlıca tespit edip onarabilen güvenilir hata düzeltme yöntemleri oluşturuldu. Kuantum sistemlerini korumak çok daha zor çünkü kullandıkları bilgi son derece kırılgandır.
"Kuantum bilgisayarların temel yapı taşları olan kübitler o kadar hassastır ki en küçük rahatsızlık bile kuantum durumunun hedeften sapmasına ve bilginin kaybolmasına neden olabilir. Çok fazla hata birikirse düzeltilemeden hesaplama başarısız olur" diyor Chalmers Teknoloji Üniversitesi Uygulamalı Kuantum Fiziği araştırmacısı ve Physical Review Letters dergisinde yayımlanan teorik çalışmanın baş yazarı Lei Du.
Kuantum Bilgisini Korumak İçin Farklı Bir Yol
Kuantum bilişimi daha dayanıklı hale getirmek ve nihayetinde hataya dayanıklı kılmak için araştırmacılar kuantum bilgisini hatalardan korumak üzere yeni yollar araştırıyor. Söz verilen umut verici stratejilerden biri de sözde bosonik kuantum kodlarıdır.
Bunun yerine kuantum bilgisi tek tek kübitlere atanmıyor, süperiletken devrelerin içindeki mikrodalga alanlarında saklanıyor.
"Kuantum bilgisini tek tek kübitlerde saklamak yerine bosonik kodlar bilgiyi süperiletken devrelerde bulunan mikrodalga alanlarına kodlar. Bu yaklaşımın belirli hata türlerine karşı daha güçlü koruma sağladığı gösterildi" diye açıklıyor çalışmanın ortak yazarı Chalmers’ta Kuantum Teknolojisi araştırmacısı Tangyou Huang.
Kuantum İşlemleri Binden Fazla Kez Daha Hızlı
Bosonik kuantum kodlarıyla çalışmak kolay değil. Gerekli kuantum durumlarının oluşturulması ve kontrol edilmesi geleneksel olarak kuantum sisteminin binlerce tekrarlı sürücü döngüsünden geçirilmesiyle yapılıyordu.
Bu süreç önemli ölçüde zaman alabiliyor ve her ek döngü dış rahatsızlıkların hesaplamaya müdahale etmesi için yeni bir fırsat yaratıyor. Kuantum bilişimde hız dolayısıyla güvenilirlikle yakından ilişkilidir.
Chalmers araştırmacıları Lei Du ve Tangyou Huang şimdi farklı bir strateji önerdi. İstenen kuantum durumlarını küçük parçalar halinde inşa etmek yerine yöntemleri geniş bir işlem yelpazesini çok daha hızlı gerçekleştirebiliyor.
"Yöntemimiz, bosonik durumlar üzerindeki çeşitli kuantum işlemlerinin daha önce gerekli olan birkaç bin döngü yerine tek bir sürücü döngüsü içinde tamamlanabileceğini gösteriyor. Bu işlemleri hem daha hızlı hem daha verimli kılıyor ve sürecin bitmeden önce rahatsızlıkların bilgiyi bozma riskini azaltıyor. Hataya dayanıklı kuantum bilgisayarlar yolunda önemli bir adım" diyor Lei Du.
Kuantum Kafes Kapıları Kısayol Sağlıyor
Yeni yaklaşım, aynı araştırma ekibi tarafından geliştirilen yakın zamanda önerilen evrensel bir kuantum kapıları kümesi olan Kuantum kafes kapıları etrafında kuruldu.
Bu kapılar bir nevi kısayol gibi çalışıyor. Uzun tekrarlı kontrol adımlarına gerek kalmadan amaçlanan kuantum işleminin tek bir sürücü döngüsünde tamamlanmasına izin veriyor. Bu süreç daha hızlı, daha basit ve hatalara karşı daha az savunmasız olabilir.
"Bunu büyük bir Lego kalesi inşa etmeye benzetebilirsiniz. Tuğla tuğla monte edip yolda hata yapma riskini göze almak yerine kuantum kafes kapıları hızlı ve verimli şekilde bağlanabilen önceden hazırlanmış Lego modülleri gibi davranır" diyor Tangyou Huang.
Süperiletken Kuantum Bilgisayarlar İçin Tasarlandı
Teknik, büyük ölçekli kuantum bilişimine yönelik uluslararası çabanın en önde gelen teknolojilerinden biri olan süperiletken kuantum bilgisayarlar için özellikle uygun.
Chalmers Teknoloji Üniversitesi, 100 kübitlik bir kuantum bilgisayar geliştirdiği sırada süperiletken teknolojiyi de kullanıyor.
"Yaklaşımımızın en önemli avantajı mevcut süperiletken kuantum devre platformlarıyla uygulanabilmesidir. Chalmers’taki meslektaşlarımızla olası deneysel gerçeklemeler üzerine görüşmeler yapıyoruz ve yakında yöntemin bir gösterimini görmeyi umuyoruz" diyor Tangyou Huang.
Araştırmacılar çalışmanın alandaki merkezi bir sorunu ele aldığını belirtiyor: hataları düzeltmeye yardımcı olabilecek kuantum durumlarının verimli şekilde üretilmesi ve kontrol edilmesi.
"Sonuçlarımız alandaki en büyük darboğazlardan birini ele alıyor: gelecekteki kuantum bilgisayarlarda önemli rol oynayabilecek hata düzeltici kuantum durumlarının hızlı ve güvenilir şekilde nasıl oluşturulup kontrol edileceği" diyor Lei Du.
Bosonik Kodlar, Kuantum Kafes Kapıları ve Floquet Kontrolü Hakkında Daha Fazla
*Bosonik kuantum kodları kuantum bilgisini tek tek kübitler yerine örneğin mikrodalga veya optik rezonatörlerin durumlarında depolar. Belirli hata türlerine karşı yerleşik koruma sağlayabildikleri için kuantum hata düzeltme için umut verici bir araç olarak kabul edilirler.
Saklanan bilgiyi işlemek için kuantum işlemleri gerekir. Kuantum kafes kapıları, bosonik kuantum durumlarını kontrol etmek için kullanılabilecek yakın zamanda önerilen temel yapı taşları koleksiyonudur. Bu kapıları birleştirip tasarlayarak araştırmacılar daha karmaşık kuantum işlemleri gerçekleştirebilir.
Bu işlemleri uygulamak için bilinen yöntemlerden biri Floquet kontrolüdür; bu yöntem kuantum sistemini sürmek için periyodik kontrol sinyalleri kullanır. Daha önceki Floquet tabanlı teknikler genellikle birçok tekrarlı sürücü döngüsü içeren daha yavaş süreçlere dayanmıştır. Chalmers’ta geliştirilen yaklaşım bunun yerine kuantum kafes kapılarını tek bir sürücü döngüsünde doğrudan gerçekleştirebiliyor ve bazı işlemleri binden fazla kez daha hızlı hale getiriyor.
Araştırma Hakkında Daha Fazla
Bilimsel makale "Single-Period Floquet Control of Bosonic Codes with Quantum Lattice Gates" Physical Review Letters dergisinde yayımlandı. Yazarlar Tangyou Huang ve Lei Du. Araştırmacılar İsveç’teki Chalmers Teknoloji Üniversitesi ve Çin’de Tianjin Üniversitesi’ne bağlı.
Araştırma Çin Ulusal Doğal Bilimler Vakfı, Wallenberg Kuantum Teknolojisi Merkezi ve Knut ve Alice Wallenberg Vakfı tarafından finanse edildi.
