Keumars Afifi-Sabet
Bilim insanları, 20 yıl aradan sonra “sihirli durum” konusunda çığır açan bir gelişme kaydetti — bu gelişme olmadan, kuantum bilgisayarların gerçekten işlevsel hale gelmesi mümkün değil.
Bilim insanları, “sihirli durum damıtma” (magic state distillation) adı verilen süreci mantıksal kübitlerde ilk kez başarıyla gerçekleştirdi. Bu da artık hem hatasız çalışan hem de süper bilgisayarlardan daha güçlü kuantum bilgisayarların inşa edilebileceği anlamına geliyor.
Dünya çapında bir ilk olarak, bilim insanları kuantum bilişimde gizemli bir olguyu deneysel olarak ortaya koydu. Bu gelişme, süper bilgisayarlardan çok daha güçlü ve hataya dayanıklı makinelerin yolunu açabilir.
“Sihirli durum damıtma” adı verilen bu süreç, ilk kez 20 yıl önce önerilmişti. Ancak mantıksal kübitlerde uygulanması o zamandan bu yana bilim insanlarının ulaşamadığı bir hedef olarak kalmıştı. Bu süreç, kuantum bilgisayarların tüm potansiyelini gerçekleştirmek için gerekli olan ve “sihirli durumlar” olarak bilinen yüksek kaliteli kaynakların üretimi açısından uzun süredir kritik öneme sahip kabul ediliyordu.
Sihirli durumlar, önceden hazırlanmış kuantum durumlarıdır ve daha sonra en karmaşık kuantum algoritmaları tarafından birer kaynak olarak kullanılarak tüketilir. Bu kaynaklar olmadan, kuantum bilgisayarlar kuantum mekaniğinin garip yasalarından yararlanarak bilgiyi paralel biçimde işleyemez.
Sihirli durum damıtma ise, en yüksek kalitedeki sihirli durumların “saflaştırıldığı” bir filtreleme sürecidir. Bu sayede bu durumlar, en karmaşık kuantum algoritmaları tarafından kullanılabilir hale gelir.
Bu süreç şu ana dek yalnızca basit, hataya açık fiziksel kübitlerde mümkün olmuştu. Oysa mantıksal kübitlerde — aynı veriyi paylaşan ve kuantum hesaplamalarını sık sık kesintiye uğratan hataları algılayıp düzeltecek şekilde yapılandırılmış fiziksel kübit gruplarında — uygulanamamıştı.
Mantıksal kübitlerde sihirli durum damıtımı şimdiye kadar mümkün olmadığından, bu kübitleri kullanan kuantum bilgisayarlar teorik olarak klasik makinelerin önüne geçememişti.
Ancak şimdi, QuEra’daki bilim insanları, sihirli durum damıtımını mantıksal kübitlerde pratikte ilk kez gerçekleştirdiklerini söylüyor. Bulgularını 14 Temmuz’da Nature dergisinde yayımlanan yeni bir çalışmada paylaştılar.
“Kuantum bilgisayarlar bu sihirli durum damıtma süreci olmadan vaat ettikleri potansiyeli gerçekleştiremezler. Bu, aşılması gereken zorunlu bir eşiktir,” dedi QuEra’nın ticari direktörü Yuval Boger, Live Science’a verdiği röportajda. Boger araştırmaya doğrudan katılmamıştı.
Hata toleranslı kuantum bilişime giden yol
Kuantum bilgisayarlar, yapı taşı olarak kübitleri kullanır ve algoritmaları çalıştırmak ile verileri işlemek için kuantum mantığı — yani kuantum bilgisinin nasıl işlendiğini belirleyen kurallar ve işlemler bütünü — temel alınır. Ancak asıl zorluk, son derece karmaşık algoritmaları çalıştırırken çok düşük hata oranlarını koruyabilmektir.
Sorun şu ki, fiziksel kübitler doğaları gereği “gürültülüdür”; bu da hesaplamaların sıcaklık değişimleri ve elektromanyetik radyasyon gibi etkenler nedeniyle sıklıkla kesintiye uğraması anlamına gelir. Bu nedenle çok sayıda araştırma, kuantum hata düzeltme (quantum error correction – QEC) üzerine yoğunlaşmıştır.
Kübitlerde hatalar yaklaşık binde bir oranında meydana gelirken, geleneksel bitlerde bu oran milyarda birin de ötesindedir. Hataları azaltmak, hesaplamaların kesintisiz ve yüksek hızda gerçekleşmesini sağlar. İşte burada mantıksal kübitler devreye girer.
“Kuantum bilgisayarların işe yarar olabilmesi için oldukça uzun ve karmaşık hesaplamaları çalıştırabilmesi gerekir. Hata oranı çok yüksekse, bu hesaplamalar kısa sürede bozulur ya da tamamen işe yaramaz hale gelir,” diyor çalışmanın baş yazarı ve QuEra’nın kuantum sistemlerinden sorumlu başkan yardımcısı Sergio Cantu, Live Science’a verdiği röportajda. “Hata düzeltmenin temel amacı, bu hata oranını düşürerek milyonlarca hesaplamanın güvenli biçimde yapılabilmesini sağlamaktır.”
Mantıksal kübitler, aynı bilgiyi paylaşan ve birbirine dolaşık fiziksel kübitlerden oluşan kümelerdir ve yedeklilik ilkesine dayanır. Mantıksal bir kübit içindeki bir veya birden fazla fiziksel kübit arızalansa bile, bilgi başka bir yerde bulunduğu için hesaplama kesintiye uğramaz.
Ancak bilim insanlarının aktardığına göre, mantıksal kübitler son derece sınırlıdır çünkü üzerlerine uygulanan hata düzeltme kodları yalnızca “Clifford kapıları” olarak bilinen temel kuantum işlemlerini çalıştırabilir. Bu işlemler kuantum devrelerinin temelini oluşturur; ancak o kadar basittirler ki herhangi bir süper bilgisayarda simüle edilebilirler.
Bilim insanları, yalnızca yüksek kaliteli sihirli durumlara erişerek “Clifford dışı kapılar”ı (non-Clifford gates) çalıştırabilir ve gerçek paralel işlemeye geçebilir. Ancak bu sihirli durumları üretmek son derece kaynak yoğun ve maliyetlidir; dahası, şimdiye kadar mantıksal kübitlerde başarılamamıştır.
Özetle, yalnızca fiziksel kübitlerde sihirli durum damıtmaya güvenmek, kuantum üstünlüğüne asla yol açmaz. Bu üstünlüğü sağlamak için sihirli durumları doğrudan mantıksal kübitlerde damıtmak gerekir.
Sihirli durumlar, süper bilgisayarların ötesindeki yeteneklerin yolunu açıyor
“Sihirli durumlar, gerçekleştirebileceğimiz işlem sayısını ve türünü genişletmemizi sağlıyor. Bu nedenle, pratikte değeri olan herhangi bir kuantum algoritması sihirli durumlara ihtiyaç duyacaktır,” dedi Cantu.
Fiziksel kübitlerde sihirli durumlar üretmek — bugüne kadar yaptığımız gibi — karışık bir iştir; düşük kaliteli ve yüksek kaliteli sihirli durumlar vardır ve bunların rafine edilmesi gerekir. Ancak bu şekilde, en güçlü programlar ve kuantum algoritmaları için kullanılabilir hale gelirler.
Çalışmada, Gemini nötr atom kuantum bilgisayarı kullanılarak, beş kusurlu sihirli durum tek ve daha temiz bir sihirli duruma damıtıldı. Bu işlem hem Mesafe-3 hem de Mesafe-5 mantıksal kübitlerde ayrı ayrı gerçekleştirildi ve bu işlemin mantıksal kübitin kalitesiyle ölçeklendirilebilir olduğunu ortaya koydu.
“Daha büyük mesafe daha iyi mantıksal kübitler anlamına gelir. Örneğin, Mesafe-2 bir hatayı tespit edebileceğiniz ama düzeltemeyeceğiniz anlamına gelir. Mesafe-3, tek bir hatayı tespit edip düzeltebileceğiniz; Mesafe-5 ise iki hatayı tespit edip düzeltebileceğiniz anlamına gelir ve bu böyle devam eder,” diye açıkladı Boger. “Yani mesafe ne kadar büyükse, kübitin doğruluğu da o kadar yüksek olur — biz bunu ham petrolün jet yakıtına damıtılmasına benzetiyoruz.”
Damıtma işlemi sonucunda, elde edilen nihai sihirli durumun doğruluğu, herhangi bir giriş durumunun doğruluğunu aştı. Bilim insanları, bunun hata toleranslı sihirli durum damıtmanın pratikte işe yaradığını kanıtladığını belirtiyor. Bu da, mantıksal kübitleri ve yüksek kaliteli sihirli durumları kullanarak Clifford dışı kapıları çalıştırabilen bir kuantum bilgisayarın artık mümkün olduğu anlamına geliyor.
“Birkaç yıl öncesine göre bir değişim görüyoruz,” dedi Boger. “O zamanlar temel soru şuydu: kuantum bilgisayarlar gerçekten inşa edilebilir mi? Sonra şu soruya geçildi: hatalar tespit edilip düzeltilebilir mi? Biz, Google ve başkaları bunun mümkün olduğunu gösterdik. Şimdi ise soru şu: bu bilgisayarları gerçekten işe yarar hale getirebilir miyiz? Gerçekten faydalı bir bilgisayar yapmak için, onu sadece büyütmek değil, aynı zamanda klasik bilgisayarlarda simüle edilemeyen programları çalıştırabilir hale getirmek gerekir.”
