Kuantum bilişim donanımında karmaşık algoritmalar çalıştırmak, donanım kübitlerinin hata tespit ve düzeltmesine izin verecek şekilde birbirine bağlandığı mantıksal kübitlerin kullanılmasını gerektirecek. Genel olarak her mantıksal kübite adanan donanım kübiti sayısı arttıkça hataları tanımlama şansı artar. Ancak donanım kübitleri hataya açık olduğundan daha fazla eklemek hata oluşma olasılığını da artırır. Donanım hata oranı çok yüksekse mantıksal kübiti büyütmek işleri daha da kötüleştirir.
Neyse ki birkaç şirket hata oranı çok yüksek olmayan donanım gösterdi. Birkaç gösterim, daha fazla kübit eklemenin performansı iyileştirdiği kırılma noktasının ötesinde mantıksal kübitler olduğunu gösteriyor. Sorun iyileşmenin çok dramatik olmaması. Karmaşık algoritmaları çalıştırmak için gerekli hata oranlarını düşürmek için her mantıksal kübite tamamen pratik olmayan sayıda kübit eklemek gerekir.
Pazartesi günü Quantinuum mevcut nesil donanımının kırılma noktasının çok ötesinde ölçeklenebildiğini duyurdu. Mantıksal kübitlerin boyutundaki her artış performanslarının bazı ölçümlerini 10'un üzerinde bir faktörle iyileştirdi.
Hata düzeltme kodları ve ölçekleme
Sonuçları anlamak için hata düzeltmenin ardındaki fikirler üzerinden kısa bir detura çıkmak gerekir. Bir mantıksal kübit, veri tutan bir kübit kümesinden ve ölçüm için kullanılan başka bir kübit kümesinden oluşur ve hepsi birbirine dolanmıştır. Her birinin bileşen kübitleri arasında farklı bir dolanma geometrisine sahip çeşitli hata düzeltme kodları vardır. İşlemler sırasında uygun kübitlerin ölçümleri sendrom verisi adı verilen veriler üretir; bu veriler mantıksal kübit içinde bir hata olup olmadığını, nerede olduğunu ve niteliğini göstermeye yardımcı olur.
Geometrilerine bağlı olarak hata kodlarının birkaç temel özelliği vardır: çalışması için gereken donanım kübiti sayısı, barındırdığı bireysel mantıksal kübit sayısı ve mantıksal kübitin başarısız olmadan aynı anda oluşabilecek hata sayısının kabaca bir ölçüsü olan uzaklık.
Bazı hata düzeltme kodu ailelerinin üyeleri oldukça basit bir şekilde farklılık gösterir: Boyuttaki her artış, birden fazla donanım kübiti gerektirebilir ve daha büyük bir uzaklık anlamına gelir. Böylece daha fazla donanım kübiti ekleyerek benzer bir geometri oluşturabilir ve daha büyük bir uzaklık sağlayabilirsiniz.
Bu tür kodlar belirli bir kuantum işlemcisinin hata düzeltmesinin nasıl ölçeklendiğini ölçmek için kullanılabilir. Küçük bir uzaklıkla, örneğin üçle, mantıksal kübitin hata oranını ölçerek başlarsınız. Daha sonra daha fazla donanım kübiti ayırıp uzaklığı beşte ölçebilir, süreci yedide tekrarlayabilir ve ekleyecek donanım kübiti kalmayıncaya kadar devam edebilirsiniz.
Donanım kırılma noktasının geçmişindeyse hata oranı uzaklıktaki her artışla daha düşük olur. Ve ölçekleme faktörü, her adımda hata oranının ne kadar iyileştiği, kırılma noktasının ne kadar ötesinde olduğunun bir fikrini verir. Bu pratik nedenlerle büyük önem taşır. Her boyut artışı hata oranını 10 faktörle kesiyorsa, hata oranını kayda değer ölçüde düşürmek için uzaklıkta birkaç adım atmanız yeterlidir. Buna karşılık ölçekleme faktörü ikiye yakınsa, aynı etkiyi elde etmek için uzaklıkta çok çok fazla adım atmanız gerekir.
Şimdiye kadar kırılma noktasının ötesinde ölçekleme gösteren gösterimlerin çoğu hata oranının 10'a değil ikiye çok daha yakın bir oranda düştüğünü gördü. Bu, karmaşık bir algoritma çalıştırmak için gerekli hata oranına ulaşmak için mantıksal kübite binlerce donanım kübiti eklemek zorunda kalabileceğimiz anlamına gelebilir.
Helios ile tanışma
Quantinuum, yakalanmış iyon kuantum bilgisayarları üretir. Adından da anlaşılacağı üzere her kübit, bir veya daha fazla elektronunu kaybetmiş bir atom olan bir iyon içinde saklanır. Yüklü oldukları için bu iyonlar elektronik tarafından üretilen elektrik alanları kullanılarak manipüle edilebilir, etraflarında hareket ettirilebilir ve yeniden düzenlenebilir. Şirketin en yeni donanımı Helios, iyonları bir halka etrafında döndürür, uygun olanları seçici olarak iki koldan birine kaydırır ve burada iyonların kuantum durumlarının ölçümleri ve işlemleri lazerler kullanılarak gerçekleştirilir. Herhangi iki iyon aynı anda bu kollara getirilebildiği için herhangi bir iyon diğer herhangi bir iyonla dolanabilir ve Helios'a esasen her türlü hata kodunu barındırma yeteneği sağlar.
Genel olarak şirketin donanımı nispeten düşük hata oranlarına sahiptir. Ancak önceki yinelemelerin mantıksal kübitlerin uzaklığını çok fazla artıracak kadar kübiti yoktu. Helios ile şirket nihayet bir hata düzeltme kodu olan renk kodunun üç, beş ve yedi uzaklıklarındaki sürümlerini kullanma yeteneğine kavuştu, her ne kadar aynı anda tek bir yedi uzaklık mantıksal kübiti barındıracak kadar donanım kübitine sahip olmasa da.
Buna ek olarak Quantinuum, işlemcisinin nasıl çalıştığında önemli bir değişiklik yaptı. Daha önceki Quantinuum işlemcilerindeki hataların önemli bir kısmı sızıntı yoluyla meydana geliyordu. Bu, bir kübitin hesaplamalar için kullanılan iki enerji durumundan biri yerine normalde kullanılmayan yakın bir enerji durumunda bitmesi durumudur. Şimdi şirket, lazer ışığını kullanarak diğer enerji durumlarına sızan kübitleri seçici olarak manipüle eden ve onları hesaplama için kullanılan iki duruma geri getiren bir şema kullanıyor. Bu, sızıntı hatalarını 6,5 faktörle bastırır ve sistem iyonları soğutmak için lazerleri kullanırken aynı anda yapılabilir.
Ayrıca herhangi bir sızmış veri tutan kübiti alıp ölçüm kübitleriyle değiştirebilen ve bunlar daha sonra sıfırlanıp yeniden kullanılabilir hale getirilebilen yazılım tabanlı bir sistem geliştirdi.
Renk kodlama
Şirketin bugün duyurduğu iki deneyden biri için şirket 13 donanım kübiti kullanarak üç uzaklık renk kodu, 37 kübitle beş uzaklık ve 73 donanım kübitiyle yedi uzaklık mantıksal kübit oluşturabildi. Bunlar daha sonra mantıksal kübitler aynı durumu tutmak için kullanıldığında, esasen bir tür kuantum belleği olarak hareket ettiğinde meydana gelen hata oranını tahmin etmek için kullanıldı. Donanımın performansı artık yeterince iyi olduğundan, sadece bir tur hata düzeltmesi yapmak ve ölçmek hataların ne sıklıkla meydana geldiğinin doğru bir ölçüsünü sağlayamıyor; hatalar çok nadir. Bu nedenle ekip, belleğin korunup korunmadığını belirlemek için ölçmeden önce 20 tur hata düzeltmesi yaptı.
Bunu çalıştırabilmek için sistem, ölçüm kübitlerini sorgulama yoluyla elde edilen sendrom verilerini almalı ve tespit edilen hataların doğasını bulmalıdır. Hata düzeltme kodunun uzaklığı arttıkça bu analizi darboğaz haline gelmeyecek kadar hızlı gerçekleştirmek giderek daha zorlaşır. Quantinuum ekibi, gerçek zamanlı olarak çalışabilen üç farklı yazılım parçası gösterdi: standart bir algoritma, evrişimli bir sinir ağı ve dönüştürücü tabanlı bir sinir ağı.
Üç uzaklık renk kodu için mantıksal hata oranı yaklaşık 5 x 10 -4 idi. Beş uzaklık koduna geçmek bunu yaklaşık 4 x 10 -5'e düşürdü ve yedi uzaklık kodu bir başka mertebe düşüşle yaklaşık 5 x 10 -6'ya ulaştı. Genel olarak uzaklıktaki her artış mantıksal hata oranını yaklaşık 12 faktörle azalttı. Bildiğim kadarıyla şimdiye kadar görülen en iyi ölçekleme bu.
Burada yapılan bir diğer önemli adım da bir turdan elde edilen sendrom verilerinin yalnızca hemen önceki ve hemen sonraki verilerle korelasyon göstermesini göstermektir. Bu, hata tespit sürecini çarpıtan sistemik hata kaynaklarının olmadığını gösterir.
Elbette gerçek işlemler, mantıksal kübitlere sadece hareketsiz kalıp durumlarını tutmalarından çok daha fazlasını yapmayı içerir. Bu nedenle araştırmacılar, nispeten basit bir iki kübit kapı işlemi gerçekleştirmenin ilişkili mantıksal hata oranına da baktı. Ne yazık ki bu iki mantıksal kübit kullanmayı gerektirir ve Helios işlemcisi aynı anda birden fazla yedi uzaklık hata kodu barındıramaz. Bu nedenle araştırmacılar donanım kübitlerini doğrudan kullanmayı ve üç ve beş uzaklık renk kodlarını kullanmayı karşılaştırdı.
İki kübit kapılarını donanımda doğrudan çalıştırmak yaklaşık 10 -3 hata oranı üretti ve üç uzaklık kodu durumu dramatik olarak iyileştirmedi. Ancak beş uzaklık kodu mantıksal hata oranını yaklaşık 7 x 10 -5'e düşürdü. Böylece donanım, nispeten karmaşık görevler yapması istendiğinde bile kırılma noktasının iyi bir şekilde ötesinde görünüyor.
O diğer ölçekleme
Bu sonuçlar birkaç farklı şekilde görülebilir. Büyük bir mesele değil perspektifinden, en iyi mantıksal hata oranı bile karmaşık algoritmalar gerçekleştirmek için hala çok yüksek ve oraya ulaşmak bazı önemli dezavantajlara sahipti: sadece kübit üzerinde işlem yapılmadığında görüldü ve sistem yalnızca bir tanesini barındıracak kadar büyük. Potansiyel olarak kullanışlı bir hata oranıyla çok sayıda hata düzeltmeli işlem yapmaya hazır olmamız için hala uzun bir yolumuz var.
Daha iyimser bir perspektiften, bildiğim en iyi ölçekleme bu ve performans, donanım hata oranını biraz daha düşürmenin önemli ödülleri olabileceğini düşündürüyor. Mantıksal hata oranı donanım hata oranına bağlıdır ve bu, bir kez yeterince iyi hale geldiğinde küçük iyileştirmelerin mantıksal hata oranında çok büyük etkilere sahip olabileceği anlamına gelir. Burada görülen ölçekleme bunun o noktada olduğumuzu söylemiyor, ancak yaklaşmakta olduğumuzu düşündürüyor.
Quantinuum için asıl soru, kübit sayılarını yol haritasının önerdiği kadar etkili bir şekilde ölçeklendirebilip bilemeyeceğidir. Eğer öyleyse, kullanışlı mantıksal kübitler üretmeye başlamak için donanım hata oranını çok fazla düşürmesi gerekebilir. Bu, donanım hata oranını düşürmenin, kübit sayılarını artırmanın veya birden fazla işlevsel birimi tek bir bilgisayara entegre etmenin farklı kombinasyonlarını yapması gerekecek bazı rakiplerinden biraz farklı sorunları çözmek anlamına gelebilir.
