Google Quantum AI, kuantum işlemcisi Willow üzerinde «sihirli durum yetiştirme» (magic state cultivation) adı verilen tekniği pratikte uyguladığını ve yetiştirilmemiş durumlarla karşılaştırıldığında hatalarda yaklaşık 40 kat azalma sağladığını duyurdu. Sonuçlar Science dergisinde yayımlandı. Şirket, bu adımın kuantum hesaplamayı pratik uygulamalara doğru ölçeklendirmenin önündeki en zor kaynak darboğazlarından birini ele aldığını belirtiyor.
Sihirli durumlar neden darboğaz oluşturuyor?
Genel amaçlı kuantum hesaplama, geleneksel hesaplamanın yeteneklerini aşan yararlı programları çalıştırabilmek için belirli bir işlem kümesine ihtiyaç duyar. Bu işlemleri gerçekleştirmek için «sihirli durumlar» adı verilen özel kuantum durumları oluşturulur ve ardından hata düzeltmeli işlemlerde kullanılır. Ancak yüksek kaliteli ve hata düzeltmeli durumlar oluşturmak büyük kaynaklar tüketir. Google'ın aktardığı tahminlere göre, kuantum bilgisayarın kapasitesinin %95'e varan bölümü hesaplamaların kendisini yürütmek yerine bu durumları üretmeye ayrılabilir.
Sorun, sihirli durumun kullanıldığında tüketilmesi ve yeniden kullanılamaması nedeniyle daha da büyür. Bu da onu kuantum sisteminde nadir bir kaynak haline getirir.
Yetiştirme tekniği nasıl çalıştı?
Google Quantum AI araştırmacılarının önceki çalışmalardan yola çıkarak geliştirdiği fikir, bir gürültülü durumu çipin küçük bir bölgesine yerleştirmeye ve kusurlu denemeleri tespit edip elemek için koordineli bir dizi ölçüm gerçekleştirmeye dayanıyor. Bu yolla, aynı anda bilgisayar içinde kullanılabilecek daha büyük bir kodlamaya uyarlanarak saf ve düşük hatalı bir kuantum durumu yetiştiriliyor.
Temel zorluk, teorik fikri gerçek donanım üzerinde çalışan bir sisteme dönüştürmekti. Testler sırasında ekip, elektrikli ekipmandaki sürüklenmelerin ve sıcaklık değişimlerinin, sonuçları değerlendirmek için kullanılan ölçüm yönteminin geçerliliğini etkileyen bir tür gürültü oluşturduğunu keşfetti. Simülasyonlar, tutarlılık kontrolleri ve varsayımların gözden geçirilmesinin ardından araştırmacılar, gürültünün etkisini azaltmak için kontrol mekanizmaları ekledi ve yetiştirme sürecinin kendisini kalibrasyon aracı olarak kullanan yeni bir ölçüm tekniği geliştirdi.
Ölçüm sonuçları ve pratikte ne değişti?
Willow işlemcisinde protokol, yetiştirilmemiş durumlarla karşılaştırıldığında hataları 40 kat azalttı. Ayrıca %99,99 mantıksal doğrulukla T durumları üretti. Google bu sonucu kuantum ölçümünde yeni bir rekor seviye olarak nitelendirdi.
Ekip ayrıca iki tür kuantum hata düzeltme yöntemi arasında geçiş yapılabileceğini gösterdi: yetiştirme sürecine uygun olan «renk kodları» (color codes) ve daha yerleşik bir yöntem olan «yüzey kodları» (surface codes). Bu süreç, durumların mesafesi 3 olan bir renk kodundan mesafesi 5 olan bir yüzey koduna aktarılmasını ve arındırılmış durumların korunarak donanım içinde taşınmasını da kapsadı.
Henüz ne kesinleşmiş değil?
Sonuç, pratik kuantum hesaplamanın artık kullanılabilir olduğunu kanıtlamıyor. Google, sihirli durum yetiştirmenin yararlı kuantum hesaplama açısından gerçekçi hale gelmesi için daha büyük ölçekte gösterilmesi gerektiğini kabul ediyor. Ayrıca başka mühendislik ve teknik zorluklar da varlığını sürdürüyor. Başarının asıl değeri, merkezi bir fikri teori düzeyinden gerçek bir işlemci üzerinde başarılı bir deneye taşıması ve hata düzeltmeli bir kuantum bilgisayarı oluşturmak için gereken kaynakların ölçeğini azaltabilecek olası bir yol sunmasıdır.