Kuantum işlemlerini bin kattan fazla hızlandırabilecek yeni yöntem

Kuantum bilgisayarların ilaç keşfinden enerji sistemlerine kadar farklı alanlarda güvenilir biçimde kullanılabilmesi için hesaplamalar sırasında ortaya çıkan hataların kontrol altında tutulması gerekiyor. Bu amaçla geliştirilen yaklaşımlardan biri olan 'bozonik kuantum kodları', bilgiyi belirli hata türlerine karşı yerleşik koruma sağlayan kuantum durumlarında saklıyor. Ancak bu durumların hazırlanması ve kontrol edilmesi uzun sürebiliyor. İşlem süresinin uzaması da elektriksel gürültü, kozmik radyasyon ve aşırı ısınma gibi dış etkenlerin korunan kuantum bilgisine müdahale etmesi için daha fazla zaman yaratıyor.

BİN KAT HIZ

İsveç’teki Chalmers Teknoloji Üniversitesi araştırmacıları, koruma altındaki kuantum durumlarının oluşturulması ve kontrolünde kullanılan bazı işlemleri bin kattan fazla hızlandırabilecek teorik bir yöntem geliştirdi. Physical Review Letters dergisinde yayımlanan çalışmanın başyazarı ve Chalmers Uygulamalı Kuantum Fiziği araştırmacısı Lei Du, yöntemin geleceğin kuantum bilgisayarlarında önemli rol oynayabilecek hata düzeltici kuantum durumlarının hızlı ve güvenilir biçimde oluşturulması ve kontrol edilmesine yönelik temel darboğazlardan birini ele aldığını belirtiyor. Hız artışı, işlemlerin dış etkenlere açık kaldığı süreyi de azaltmayı amaçlıyor.

KAFES KAPILARI

Yeni yöntem, aynı araştırma ekibinin daha önce önerdiği ve temel kuantum işlemlerinden oluşan evrensel bir küme olarak tanımlanan 'kuantum kafes kapıları'na dayanıyor. Araştırmacılar, bozonik durumlarla gerçekleştirilen daha karmaşık görevleri yerine getirmek için bu temel işlemleri bir araya getiriyor.

Çalışmanın ortak yazarı ve Chalmers Kuantum Teknolojisi araştırmacısı Tangyou Huang, sistemi büyük bir Lego şatosunun yapımına benzetiyor. Her parçayı tek tek birleştirmek yerine, kuantum kafes kapılarının önceden hazırlanmış ve hızlı biçimde birbirine bağlanabilen Lego modülleri gibi çalıştığını ifade ediyor.

TEK DÖNGÜ

Araştırmacıların geliştirdiği sistemde kuantum kafes kapıları, kuantum sisteminin tekrarlayan kontrol sinyalleriyle yönlendirildiği 'Floquet kontrolü' kullanılarak uygulanıyor. Bu kontrol sürecindeki her tam tekrar ise 'sürüş döngüsü' olarak adlandırılıyor. 

Lei Du’ya göre yeni yaklaşım, bozonik durumlar üzerindeki bazı kuantum işlemlerinin daha önce gerekli olan binlerce sürüş döngüsü yerine tek bir döngü içinde tamamlanabileceğini gösteriyor. İşlem süresinin bu ölçüde azaltılması, sistemin daha hızlı ve verimli çalışmasına imkan verirken kuantum bilgisinin süreç tamamlanmadan dış etkenler tarafından bozulma ihtimalini de azaltıyor.

HATA TOLERANSI

Hata toleranslı kuantum bilgisayarların temel hedefi, belirli hatalar ortaya çıksa bile hesaplamaları güvenilir biçimde sürdürebilmek. Bu özellik, kriptografi, yapay zeka ve lojistiğin yanı sıra ilaç keşfi ve enerji araştırmaları gibi kuantum bilgisayarlardan yararlanılması beklenen alanlar açısından önem taşıyor. Bozonik kodlar da bu süreçte kuantum bilgisini tek tek kübitlerde tutmak yerine farklı fiziksel yapılara dağıtarak korumayı amaçlıyor. Mikrodalga veya optik rezonatörlerden yararlanabilen bu sistemlerde bilgi, elektromanyetik alanlar içinde kodlanabiliyor.

KÜBİT ÖTESİ

Tangyou Huang, bozonik kodların kuantum bilgisini bireysel kübitlerde saklamak yerine süper iletken devrelerdeki mikrodalga alanlarında kodladığını ve bu yaklaşımın belirli hata türlerine karşı daha güçlü koruma sağladığının gösterildiğini belirtiyor. Kuantum sistemleri elektriksel gürültü, kozmik radyasyon ve aşırı ısınma gibi çok sayıda dış etkene karşı hassas.

Geleneksel bilgisayarlarda hesaplama hatalarının tespit edilmesi ve düzeltilmesi için yerleşik yöntemler bulunurken kuantum sistemlerinde bilgiyi taşıyan bileşenlerin çok daha kırılgan olması hata düzeltmeyi zorlaştırıyor. Lei Du, kübitlerde çok küçük bir bozulmanın bile kuantum durumunu hedeflenen durumdan uzaklaştırarak bilgi kaybına yol açabileceğini, hataların düzeltilmeden birikmesi halinde ise hesaplamanın başarısız olabileceğini ifade ediyor.

SÜPER İLETKEN PLATFORM

Önerilen yöntem, özellikle büyük ölçekli kuantum hesaplama için geliştirilen başlıca platformlardan biri olan süper iletken kuantum bilgisayarlara uygun şekilde tasarlandı. Chalmers da 100 kübitlik bir kuantum bilgisayar geliştirmek için aynı teknolojiyi kullanıyor. Yeni kontrol yönteminin deneysel gösterimi ise henüz gerçekleştirilmiş değil.

Tangyou Huang, yaklaşımın önemli avantajlarından birinin mevcut süper iletken kuantum devre platformlarıyla uygulanabilmesi olduğunu belirterek Chalmers’taki araştırmacılarla olası deneysel uygulamalar üzerinde görüşmeler yürüttüklerini ve yöntemin yakın gelecekte deneysel olarak gösterilebilmesini umduklarını söylüyor.