IBM, Qiskit Paulice adlı yeni bir eklentiyi Qiskit ekosistemine sundu. Eklentinin amacı, devrenin yürütülmesi sırasında hataları tespit ederek bunlardan etkilenmiş olma olasılığı yüksek sonuçları filtrelemek yoluyla kuantum devrelerinin güvenilirliğini artırmak. Araç, “uzay-zamansal Pauli kontrolleri” (spacetime Pauli checks) olarak bilinen kuantum kontrollerine dayanıyor. Bu kontroller, donanım ve yürütme gereksinimlerine sınırlı bir ekleme ile doğrudan devreye yerleştiriliyor.
Eklenti, mevcut kuantum bilgisayarlarda hatalarla başa çıkma yöntemlerini geliştirme çabalarının bir parçası olarak geliyor. Tamamen hataya dayanıklı kuantum hesaplama hâlâ karmaşık donanım ve çok sayıda kübit gerektiriyor. IBM, hâlihazırda geliştirilen hata yönetimi tekniklerinin, hataların hesaplama sırasında düzeltildiği büyük ölçekli ve hataya dayanıklı kuantum hesaplamaya ulaşmaya yardımcı olacağını belirtiyor ve bunun 2029 yılına kadar gerçekleştirilmesini hedefliyor.
Paulice nasıl çalışır?
Kuantum hatalarıyla başa çıkma yöntemleri genellikle üç gruba ayrılır: hata bastırma, hata etkisini azaltma ve hata düzeltme. Hata tespiti ise bağımsız bir kategori değildir; belirli bir devre yürütmesinin bir hatadan etkilenip etkilenmediğini kontrol ettiği için hata düzeltmenin ve bazı azaltma yöntemlerinin temel bir bileşenini oluşturur.
Geleneksel yöntemlerde hesaplamayı gerçekleştirmek için veri kübitleri kullanılır. Bunlara ek olarak ancilla adı verilen yardımcı kübitler diğer kübitleri izler ve hata belirtilerini yakalar. Ancak bu kübitlerin ve bunlarla ilişkili işlemlerin eklenmesi, devrenin derinliğini, ek işlemlerin tespit ettiklerinden daha fazla hataya yol açacağı bir düzeye çıkarabilir. Paulice, seçilmiş kontrolleri devrenin kendisine yerleştirerek bu ikilemi ele almak üzere tasarlanmıştır.
Her Pauli kontrolü, devrenin yürütülmesi sırasında korunması beklenen bir kısıtı ifade eder. Bir hata bu kısıtı ihlal ettiğinde, hata tespitini gösteren bir bit dizisi olan ölçüm “sendromunda” ortaya çıkar. Sendrom sıfırlardan oluşuyorsa hata tespit edilmemiştir; buna karşılık herhangi bir 1 değeri, kullanılan kontrole göre bir hatanın varlığına işaret eder.
Uzay ve zamanı dikkate alan kontroller
Uzay-zamansal kontroller, kısıtları yalnızca donanım uzayında bulunan kübitler üzerinden tanımlamakla kalmaz; bunları devrenin yürütülmesi içindeki belirli zaman konumlarına da yerleştirir. Bu, hesabın geniş bölümleri boyunca hataların izlenmesini sağlarken, özellikle kübitler arasındaki bağlantının sınırlı olduğu cihazlarda devrenin derinliğini artırabilen yüksek ağırlıklı operatörlerin ölçülmesiyle ilişkili bazı maliyetlerden kaçınır.
Tüm kontroller eşit derecede yararlı değildir; her kontrol, ek gürültü üretebilecek işlemler ekler. Bu nedenle qiskit-paulice paketi, geçerli, düşük ağırlıklı ve hata tespitinde etkili kontrolleri seçmek için cihazın gürültü modelini ve bağlantı kısıtlarını kullanır. IBM’e göre bu otomatik süreç, kübit maliyetini ve devre derinliğini sınırlarken tespit kapasitesini artırmaya yardımcı olur.
Pratik kullanım ne sağlar?
Devre çalıştırıldıktan sonra sendrom bilgileri farklı şekillerde kullanılabilir. En basit yöntem, hata tespit edilmeyen yürütmeleri korumak ve hata belirtilerinin ortaya çıktığı yürütmeleri elemekten oluşur. Bu süreç, Paulice’i sonradan seçmeli hata düzeltmenin (postselected error correction) bir biçimine dönüştürür. Sendrom bilgileri, diğer hata azaltma veya hata düzeltme yöntemleriyle de birleştirilebilir.
Araç özellikle Clifford devrelerini ve Hadamard, Phase ve CNOT kapıları üzerine kurulu devreler gibi Clifford türünün baskın olduğu devreleri destekler. Bu devrelerin davranışı matematiksel olarak anlaşılabilir ve klasik bilgisayarlarda verimli biçimde simüle edilebilir; bu da onları hata yönetimi yöntemlerinin geliştirilmesi ve test edilmesi için uygun hâle getirir.
Eklenti, 12 kübit ve dört dolaşıklık kapısı katmanından oluşan bir Clifford devresi oluşturmayı, ardından cihazın bağlantısına göre veri kübitleri ile yardımcı kübitleri belirlemeyi ve platform verilerinden yola çıkarak bir gürültü modeli oluşturmayı sağlayan bir eğitim yolu içerir. Maddede yer alan örnekte araç, devreye yedi kontrol ekledi. Sonraki ders; kontrollü devrenin çalıştırılmasını, örnekleme yapılmasını, sendromların incelenmesini, hatasız örneklerin seçilmesini ve hata tespiti öncesi ile sonrası sonuç doğruluklarının karşılaştırılmasını açıklar.
Kullanılabilirlik ve gelecekteki geliştirmeler
Qiskit Paulice belgeleri ve eğitimleriyle birlikte eklentinin indirilmesi için açık kaynaklı bir GitHub deposu da sunuluyor. IBM, ekibin Clifford dışı sistemler için destek eklemeyi, sonradan seçme sonrasında gürültü kanallarını analiz etmeyi ve kontrollerin seçimi sırasında bekleme gürültüsünün ele alınmasını iyileştirmeyi planladığını belirtiyor. Maddede ayrıca IBM ile Chicago Üniversitesi tarafından gerçekleştirilen ve geniş ölçekli rastgele grafik durumlarından örneklemeyle bağlantılı bir deneyde uzay-zamansal kontrol kavramlarının kullanıldığı belirtiliyor.