IBM, kuantum devrelerinin güvenilirliğini, devrenin yürütülmesi sırasında hataları tespit edip bunlardan etkilenmiş olma ihtimali yüksek sonuçları filtreleyerek artırmayı amaçlayan Qiskit Paulice adlı yeni bir eklentiyi Qiskit ekosistemine sundu. Araç, “uzay-zamansal Pauli kontrolleri” (spacetime Pauli checks) olarak bilinen kuantum kontrollerine dayanıyor. Bu kontroller, donanım ve yürütme gereksinimlerine sınırlı bir ekleme yapılarak doğrudan devreye yerleştiriliyor.
Eklenti, kuantum hata toleranslı hesaplamanın hâlâ karmaşık donanım ve çok sayıda kübit gerektirdiği bir dönemde, mevcut kuantum bilgisayarlardaki hatalarla başa çıkma yöntemlerini geliştirme çabalarının bir parçası olarak geliyor. IBM, hâlihazırda geliştirilen hata yönetimi tekniklerinin, hesaplama sırasında hataların düzeltildiği büyük ölçekli ve hata toleranslı kuantum hesaplamaya ulaşmaya yardımcı olacağını belirtiyor ve bunu 2029 yılına kadar gerçekleştirmeyi hedefliyor.
Paulice nasıl çalışıyor?
Kuantum hata yönetimi yöntemleri genellikle üç gruba ayrılır: hata bastırma, hata 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 hesabı gerçekleştirmek için veri kübitleri kullanılır; bunlara, diğer kübitleri izleyen ve hata göstergelerini yakalayan ancilla olarak bilinen yardımcı kübitler eşlik eder. Ancak bu kübitlerin ve bunlarla ilişkili işlemlerin eklenmesi devrenin derinliğini, ilave işlemlerin tespit ettikleri hatalardan daha fazla hataya yol açabileceği bir düzeye çıkarabilir. Paulice, seçilmiş kontrolleri devrenin kendisine yerleştirerek bu sorunu ele almak üzere tasarlanmıştır.
Her Pauli kontrolü, devrenin yürütülmesi sırasında korunması beklenen bir kısıtı ifade eder. Bir hata bu kısıtı ihlal ettiğinde, bu durum hatanın tespit edildiğini gösteren bir bit dizisi olan ölçüm “sendromu”nda ortaya çıkar. Sendrom sıfırlardan oluşuyorsa herhangi bir hata tespit edilmemiştir; 1 değeri ise kullanılan kontrole göre bir hatanın varlığına işaret eder.
Uzay ve zamanı dikkate alan kontroller
Uzay-zamansal kontroller, kısıtları yalnızca donanım uzayında bulunan kübitler üzerinden belirlememeleri, aynı zamanda bunları devrenin yürütülmesi içindeki belirli zaman konumlarına da yerleştirmeleri bakımından geleneksel kontrollerden ayrılır. Bu, özellikle kübitler arasındaki bağlantının sınırlı olduğu cihazlarda devre derinliğini artırabilen yüksek ağırlıklı operatörlerin ölçümüyle ilişkili bazı maliyetlerden kaçınarak, hesaplamanın geniş bölgeleri boyunca hataların izlenmesini sağlar.
Tüm kontroller aynı ölçüde yararlı değildir; çünkü her kontrol ek gürültü üretebilecek işlemler ekler. Bu nedenle qiskit-paulice paketi, geçerli, düşük ağırlıklı ve hata tespitinde etkili kontrolleri seçmek için bir gürültü modeli ile cihazın bağlantı kısıtlarını kullanır. IBM’e göre bu otomatik süreç, kübit ve devre derinliği maliyetini sınırlarken tespit kapasitesini artırmaya yardımcı olur.
Pratik kullanım neler sağlıyor?
Devre çalıştırıldıktan sonra sendrom bilgileri farklı şekillerde kullanılabilir. En basit yöntem, hata tespit edilmeyen yürütmeleri korumak ve hata göstergelerinin ortaya çıktığı yürütmeleri elemek; bu işlem Paulice’i sonradan seçmeli hata düzeltmenin (postselected error correction) bir biçimine dönüştürür. Sendrom bilgileri başka hata azaltma veya düzeltme yöntemleriyle de birleştirilebilir.
Araç özellikle Clifford devrelerini ve Hadamard, Phase ve CNOT kapıları üzerine kurulan devreler gibi bu türün hâkim olduğu devreleri destekler. Bu devrelerin davranışı matematiksel olarak anlaşılır ve klasik bilgisayarlarda verimli biçimde simüle edilebilir; bu da onları hata yönetimi yöntemlerinin geliştirilmesi ve test edilmesi için uygun kılar.
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 içeren bir eğitim akışı sunuyor. Materyaldeki örnekte araç, devreye yedi kontrol ekledi. Sonraki ders; kontrollü devrenin çalıştırılmasını, örneklemeyi, sendromların incelenmesini, hatasız örneklerin seçilmesini ve hata tespitinden önceki ve sonraki sonuç doğruluğunun karşılaştırılmasını açıklıyor.
Kullanılabilirlik ve gelecekteki geliştirmeler
Qiskit Paulice belgeleri ve eğitimlerinin yanı sıra, açık kaynaklı eklentiyi indirmek için bir GitHub deposu da sunuluyor. IBM, ekibin Clifford dışı sistemlere destek eklemeyi, sonradan seçme sonrasındaki gürültü kanallarını analiz etmeyi ve kontroller seçilirken boşta kalma gürültüsünün ele alınmasını iyileştirmeyi planladığını belirtiyor. Materyalde ayrıca uzay-zamansal kontrol kavramlarının, IBM ile Chicago Üniversitesi tarafından gerçekleştirilen ve geniş ölçekli rastgele grafik durumlarından örnekleme ile bağlantılı bir deneyde kullanıldığı belirtiliyor.