Araştırmacılar, evrensel kuantum hesaplama için gerekli tüm işlemleri gerçekleştirebilen egzotik kuantum parçacıkları olan non-Abelian anyonları gösterdi. Quantinuum’un H2 işlemcisindeki 54 qubit kullanarak braiding ve fusion işlemlerini birleştirdiler ve braiding’in tek başına sağlayamadığı yeteneklerin kilidini açtılar.
Pratik bir kuantum bilgisayarın sonunda geleneksel bir dizüstü bilgisayarın birçok farklı yazılım türünü çalıştırabilmesi gibi her türlü kuantum algoritmasını işleyebilmesi gerekir. Araştırmacılar şimdi non-Abelian anyonlar olarak bilinen alışılmadık kuantum nesnelerini kullanarak bu esneklik düzeyine ulaşmanın yeni bir yolunu gösterdiler.
University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering, Harvard, Stony Brook University ve Quantinuum’dan bilim insanları non-Abelian anyonlara dayalı tam bir işlem seti oluşturdu ve test etti. Sonuçları, bu yaklaşımın evrensel kuantum hesaplama için gereken geniş işlem yelpazesini destekleyebileceğinin ilk deneysel kanıtını sağlıyor.
“Bilgi bu ortaya çıkan kuark versiyonlarında saklanırsa ve onları hareket ettirirseniz, yapmak isteyeceğiniz her kuantum hesaplamayı yapabilirsiniz” anlamına gelen sözde evrensel bir kapı seti gösterdik” dedi. UChicago PME’de moleküler mühendislik yardımcı doçenti ve Nature’da yayımlanan yeni çalışmanın ortak yazarı Ruben Verresen.
Pahalı Kuantum Hata Düzeltmesinde Olası Kısayol
Strateji genel amaçlı bir kuantum bilgisayar oluşturmaya yardımcı olmaktan daha fazlasını yapabilir. Güvenilir kuantum makinelerine daha verimli bir rota da sunabilir.
Kuantum bilgisayarlar hatalara karşı son derece hassastır, bu yüzden araştırmacılar bilgiyi genellikle birçok fiziksel qubit arasında dağıtarak korur. Bu hata düzeltme yöntemleri veriyi koruyabilir, ancak korunan bilgi üzerinde evrensel kuantum hesaplama gerçekleştirmek için gereken her işlemi genellikle sağlamaz.
Boşluğu doldurmak için mühendisler genellikle “magic states” adı verilen özel olarak hazırlanmış kaynaklara güvenir. Bunları üretmek genellikle damıtma olarak bilinen yoğun bir arındırma süreci gerektirir ve bu süreç bir kuantum bilgisayarının kullanılabilir qubitlerinin büyük bir kısmını tüketebilir. Yeni sonuçlar, non-Abelian anyonların bu pahalı adıma alternatif sunabileceğini gösteriyor.
“Non-Abelian kodlar kuantum hata düzeltme yarışında bir kara at” dedi. Quantinuum’un Münih ofisinde yönetici müdür ve bilimsel lider ve çalışmanın ortak yazarı Henrik Dreyer. “Bu çalışmada non-Abelian bir koddaki ilk evrensel kapı setini gösteriyoruz; bu da hataya dayanıklı hesaplamaların prensip olarak standart kuantum hata düzeltme kodlarındaki en pahalı işlemler olan magic state damıtma veya yetiştirme işlemine başvurulmadan yapılabileceğini gösteriyor.”
Non-Abelian Anyonlar Neden Farklı
Normal qubitler bilgi iki temel durum ve bu durumların kuantum kombinasyonları kullanılarak kodlar. Non-Abelian anyonlar temel olarak farklı bir şekilde çalışır.
Bu anyonlar doğada sıradan bağımsız parçacıklar olarak ortaya çıkmaz. Bunun yerine bilim insanları onları kuantum devreleri içinde birçok geleneksel qubiti kendi alışılmadık kurallarına sahip yeni bir parçacık türüymüş gibi davranan kolektif bir duruma dolanarak oluşturur.
“Bu kodları düşündüğüm şekliyle, kendi özelliklerimizin bazılarını yansıtan alternatif evrenler olan küçük evrenler yaratıyorlar” dedi Verresen.
Her non-Abelian anyon, bir anyonun başka bir anyonun etrafında braiding olarak bilinen bir işlemle hareket ettirilmesi sırasında değişen dahili bir duruma sahiptir. Bu braiding işlemlerinin sırası önemlidir, işte non-Abelian olması bundan kaynaklanır ve bu sayede bilgi sıradan parçacıkların erişemeyeceği şekillerde kodlanıp manipüle edilebilir.
Bilgi tek bir konumda saklanmak yerine birçok dolanık qubit arasında yayıldığı için, geleneksel qubitleri sık sık bozan küçük rahatsızlıklardan da doğal olarak korunabilir. Anyonların braiding’i aynı zamanda hesaplama işlemleri de gerçekleştirebilir.
Braiding Yalnız Başına Neden Yeterli Değildi
2024’te Verresen’in de aralarında bulunduğu bir araştırma ekibi, Quantinuum’un tuzaklı iyon bilgisayarını kullanarak bir karenin değişmeden kaldığı dönüşler ve yansımalar olan D4 adı verilen bir simetri grubuyla ilişkili anyonlar oluşturdu ve bu non-Abelian düzen formunu kuantum donanımında ilk kez gösterdi.
Bu deney, alışılmadık parçacıkların oluşturulup manipüle edilebildiğini gösterdi, ancak bunların braiding’i tek başına evrensel kuantum hesaplama için gereken her işlemi gerçekleştirmeye yetmedi.
“O çalışmada, ortaya çıkan bu güçlerin kuantum hesaplama yapmak için yeterli olduğunu göstermedik” dedi Verresen. “Oluşturduğumuz o belirli evren yeterince güçlü değildi.”
Fusion Evrensel Kuantum İşlemlerini Açığa Çıkarıyor
Yeni çalışma için araştırmacılar bir eşkenar üçgeni değişmeden bırakan dönüşler ve ayna görüntüsü çevirmeleri olan S3 olarak bilinen başka bir simetriye geçtiler ve Quantinuum’un H2 tuzaklı iyon işlemcisinde 54 dolanık qubit kullanarak ilgili anyonları oluşturdular.
S3 sistemi, braiding başka bir fusion adı verilen işlemle birleştirildiğinde evrensel kuantum hesaplama için gerekli özelliklere sahipti. Fusion sırasında iki anyon bir araya getirilir ve ortaya çıkan durum ölçülür.
Temel kavram 2003 yılında Caltech’te John Preskill’in öğrencisi olan Carlos Mochon tarafından teorik olarak önerildi. Bu teorik fikri kuantum donanımında gerçekten çalışabilecek bir deneye dönüştürmek ise kapsamlı ek teorik ve deneysel çalışma gerektirdi.
Araştırmacılar anyon çiftlerini “topolojik qutritler” kodlamak için kullandılar; bu qutritler sıradan qubitlerin kullandığı iki seviye yerine kuantum bilgisinin üç olası seviyesini depolar.
Farklı braiding ve fusion işlemlerini birleştirerek ekip üç temel araç gösterdi: braiding yoluyla üretilen bir dolanık kapı ve fusion yoluyla oluşturulan iki farklı ölçüm. Birlikte bu işlemler prensip olarak braiding’in tek başına başaramayacağı işlemler de dahil olmak üzere her kuantum işlemini üretebilir.
Olası hesaplama uygulamalarının ötesinde, bu alışılmadık kuantum durumları araştırmacıların fiziğin temel yönlerini incelemesine de yardımcı olabilir.
“Fikirlerimizi doktora çalışmalarımızda düşündüğümüz fikirlerin laboratuvarda gerçekleşmesini görmek memnuniyet verici ve bu, son birkaç yılda kuantum donanımında kaydedilen olağanüstü ilerlemeler sayesinde mümkün oldu” dedi. Çalışmaya liderlik eden Ashvin Vishwanath grubundaki Harvard Üniversitesi doktora öğrencileri Anasuya Lyons ve Chiu Fan Bowen Lo.
Hata Toleranslı Kuantum Bilgisayarlarına Doğru
Araştırmacılar ayrıca non-Abelian anyonların topolojik işlemler kullanarak doğrudan bir magic state üretebileceğini de gösterdi; bu da çoğu kuantum sisteminde kullanılan maliyetli damıtma sürecini atlıyor.
Deney henüz aktif hata düzeltmesini içermiyordu. Bunun yerine araştırmacılar yöntemin bireysel yapı taşlarını test etmeye ve teorik beklentilerle tutarlı bir magic state oluşturabildiklerini doğrulamaya odaklandı.
Bir sonraki büyük adım bu işlemleri aktif hata düzeltmesiyle birleştirmek olacak. Bu başarılırsa non-Abelian anyonlar nihayetinde büyük ölçekli, hataya dayanıklı kuantum bilgisayarlar için pratik bir temel haline gelebilir. Verresen zaten non-Abelian kuantum hafızalarını stabilize etmek için yeni teknikler üzerinde diğer PME araştırmacılarıyla çalışıyor.
