IBM, süperiletken kuantum bilgisayarlarında kullanılan kriyojenik sistemler için, tek çipli kuantum işlemcilerin ölçeklendirilmesindeki sınırlamaların üstesinden gelmeyi amaçlayan yeni bir modüler mimari duyurdu. Tasarım, ayrı soğutma hücrelerinin yan yana bağlanmasına dayanıyor. Böylece bilgiler, işlemlerin tek bir işlemciyle sınırlandırılması yerine, kuantum ve geleneksel bağlantılar üzerinden birden fazla işlemci arasında aktarılabiliyor.
IBM'in kuantum bilgisayarları, kuantum durumlarını hesaplamaların gerçekleştirilebileceği kadar uzun süre kararlı tutmak için seyreltme buzdolapları (dilution refrigerators) ve özel termal bariyerler gerektiren, uzay boşluğundan daha düşük sıcaklıklarda çalışıyor. Şirket, kübit sayısını artırmanın yalnızca daha büyük işlemciler değil, aynı zamanda birden fazla işlemciyi barındırabilen ve termal kararlılığı koruyarak bunları birbirine bağlayabilen bir soğutma mimarisi gerektirdiğini düşünüyor.
Silindirik yapılardan bağlanabilir hücrelere
Günümüzdeki kuantum sistemleri genellikle vakumla yalıtılmış silindirik kapların içine yerleştiriliyor. Bu yaklaşım, IBM'in 2016'da beş kübit içeren, bulut üzerinden erişilebilen ilk kuantum bilgisayarından, 2023'te tanıttığı 1000'den fazla kübite sahip IBM Quantum Condor işlemcisine geçiş yapmasını sağladı. Ancak tek bir çip üzerinde ölçeklendirme; alan, ısı üretimi ve kübitler arasındaki istenmeyen etkileşimlerle ilgili sınırlamalarla karşılaşıyor.
Bunun yerine yeni hücreler kutu biçimine sahip ve alüminyum levha ile yapılardan üretiliyor. Her hücre, kendine ait bir vakum odası, soğutma ekipmanı ve özel termal bariyerleriyle eksiksiz bir soğutma ortamı barındırıyor. Özel açıklıklar ise kuantum kablolarının komşu hücrelere geçirilmesini sağlıyor. Hücrelerin bitişik yerleştirilmesi, silindirik kaplar arasındaki uzun bağlantılara kıyasla bağlantı yollarının kısalmasına yardımcı oluyor.
Pratikte ne değişiyor?
Termal koruma katmanları, komşu hücreler arasındaki termal etkileşimi sınırlayacak şekilde tasarlandı. IBM'e göre, yeni hücreler eklendikçe soğutma sürelerinin ve sıcaklık kararlılığının benzer kalması bekleniyor. Bu da hesaplama performansını aksatmadan sistemin genişletilmesine olanak tanıyor. Ayrıca yeni işlemciler veya kuantum elektroniği eklenirken tüm soğutma altyapısını yeniden tasarlamak yerine sistem hücre hücre yükseltilebiliyor.
Her hücrede kablolar için yaklaşık 0,53 metrekarelik alan bulunuyor ve vakum odasının hacmi 2,75 metreküpe ulaşıyor. Hücrenin hacmi ise yaklaşık olarak tipik bir mutfak buzdolabının üç katına denk geliyor. Bu alan, daha büyük işlemciler ve daha yoğun yapılandırmalar için olanak sağlarken soğuk ortam içinde daha fazla bağlantı ve elektronik bileşenin barındırılmasına da imkân tanıyor.
Hataya dayanıklı kuantum sistemlere doğru bir adım
IBM, yeni mimariyi New York eyaletinin Poughkeepsie kentindeki tesisinde birbirine bağlanmış iki soğutma hücresini çalıştırarak pratikte test etti. Şirket, bu denemeyi görevleri birbirine bağlı işlemcilere dağıtabilen veya daha yüksek kapasiteli tek bir sistem olarak çalıştırabilen çok çipli kuantum sistemlerin kurulması için gereken yaklaşımın ilk doğrulaması olarak değerlendiriyor.
IBM, bu mimariyi 2029'da gerçekleşmesini beklediği ve ilk hataya dayanıklı kuantum bilgisayar olarak tanımladığı IBM Quantum Starling'e giden yolun bir parçası olarak konumlandırıyor. Şirket ayrıca tek hücrenin gelecekteki sürümlerinin en az 2000 kübiti desteklemesini bekliyor. Sistemler, araştırmacıların IBM'in modüler kuantum mimarisindeki bileşenleri test etmesine olanak tanıyacak. Bunlar arasında, kuantum işlem birimlerini bir metreye kadar mesafeden bağlamak üzere ilk kez 2024'te tanıtılan l-coupler bağlantıları da bulunuyor.