Kuantum bilgisayar hesaplamalarındaki hataları düzeltmeye yönelik yepyeni bir yöntemin keşfedilmesi sayesinde, güçlü ve yeni bir bilgi işlem alanının önündeki önemli bir engel ortadan kalkabilir.
Eski bilgisayarlarda hata düzeltme oldukça gelişmiş bir konudur. Karmaşık radyo dalgaları üzerinden veri gönderip alabilmek için her bir cep telefonunun kontrol edilmesi ve ayarlanması gerekir. Kuantum bilgisayarların sıradan bilgisayarların yeteneklerinin ötesindeki karmaşık problemleri çözme kabiliyeti, atom altı parçacıkların son derece geçici davranışlarını kontrol etme yeteneklerine bağlıdır. Bu hesaplama eylemleri o kadar geçicidir ki, hatalarını test etmek bile tüm sistemi sona erdirme riski taşır.
Nature Communications dergisinde yayınlanan teorik bir makalede, Princeton Üniversitesi’nde elektrik ve bilgisayar mühendisliği doçenti olan Jeff Thompson liderliğinde, Yale Üniversitesi ve Wisconsin-Madison Üniversitesi’nden Yue Wu, Shruti Puri ve Shimon Kolkowitz’in de dahil olduğu disiplinler arası bir ekip, bir kuantum bilgisayarın hatalara karşı toleransını nasıl önemli ölçüde artırabileceklerini ve bu hataları izole etmek ve düzeltmek için gereken gereksiz bilgi miktarını nasıl azaltabileceklerini gösterdi. İzin verilen hata oranını %1’den %4’e çıkaran yeni yöntem, şu anda geliştirilmekte olan kuantum bilgisayarları uygulanabilir hale getiriyor.
Thompson’a göre kuantum bilgisayarlarda gerçekleştirmek istediğiniz işlemler gürültülüdür, bu da hesaplamaların çeşitli hata modlarına tabi olduğu anlamına gelir.
Geleneksel bir bilgisayardaki bir hata, bir bellek bitinin yanlışlıkla 1’den 0’a geçmesi kadar basit olabileceği gibi, birçok kablosuz yönlendiricinin birbirine karışması gibi karmaşık da olabilir. Her bir veri parçasının yinelenen kopyalarla karşılaştırılması için bir miktar fazlalık oluşturmak, bu tür sorunların üstesinden gelmek için tipik bir stratejidir. Ancak bu strateji daha fazla veri gerektirir ve hata olasılığını artırır. Bu nedenle, yalnızca mevcut bilgilerin büyük çoğunluğu doğru olduğunda işe yarar. Aksi takdirde, yanlış verileri yanlış verilerle karşılaştırmak sadece yanlışlığı derinleştirmeye yarar.
Thompson’a göre, temel hata oranınız çok yüksekse fazlalık kötü bir tekniktir. En büyük engel bu bariyeri düşürmektir.
Thompson’ın ekibi sadece hata miktarını azaltmaya odaklanmak yerine hataların görünürlüğünü artırdı. Ekip, hatanın fiziksel kaynaklarına ilişkin kapsamlı araştırmaları sonucunda, sadece hasarlı veriyi değiştirmek yerine en sık rastlanan hata kaynağını etkin bir şekilde ortadan kaldıran bir teknik geliştirdi. Thompson’a göre bu davranış, “silme hatası” olarak bilinen ve diğer tüm veriler gibi görünen bozuk verilere kıyasla ayıklanması doğal olarak daha kolay olan belirli bir hata türünün örneğidir.
Geleneksel bir bilgisayarda, muhtemelen yinelenen bilgilerden oluşan bir paket 11001 olarak görünüyorsa, biraz daha yaygın olan 1’lerin doğru ve 0’ların yanlış olduğunu varsaymak tehlikeli olabilir. Ancak, bilgi 11XX1 olarak görünüyorsa ve hasarlı bitler açıksa durum daha güçlüdür.
Thompson, silme hatalarının farkında olduğunuz için bunların düzeltilmesinin çok daha kolay olduğunu iddia etmiştir. Çoğunluk oylamasına katılmayabilirler. Bu önemli bir avantajdır.
Thompson’a göre, geleneksel bilgisayarlardaki silme hataları iyi anlaşılmış olsa da, araştırmacılar daha önce hataları silmeye dönüştürecek kuantum bilgisayarlar inşa etmeyi düşünmemişlerdi.
Thompson’a göre bu cihaz aslında %4,1’lik bir hata oranına dayanabiliyor ve bu da mevcut kuantum bilgisayarlar için olasılık dahilinde.
Thompson’a göre önceki sistemlerdeki en gelişmiş hata düzeltme, yalnızca %1’in altındaki hataları tolere edebiliyordu ki bu da önemli sayıda kübite sahip mevcut herhangi bir kuantum sisteminin kapasitesinin ötesinde.
Ekibin silme hataları üretme becerisi, Thompson’ın geçmişte aldığı bir kararın şaşırtıcı bir faydası oldu. Çalışmaları, kuantum bilgisinin bir “kübitini” depolamak için tek bir atomun kullanıldığı “nötr atom kübitlerini” inceliyor. İterbiyum elementinin bu uygulamasını icat edenler onlardı. Thompson’a göre, en dıştaki elektron katmanında sadece bir elektrona sahip olan diğer nötr atom kübitlerinin çoğunun aksine, iterbiyum bu katmanda iki elektrona sahiptir.
Thompson bir benzetme olarak, “Bunu bir İsviçre çakısı olarak hayal ediyorum ve bu iterbiyum daha büyük, daha şişman bir İsviçre çakısı” dedi. “İki elektrona sahip olmanın getirdiği ekstra karmaşıklıktan pek çok yeni araç elde ediyorsunuz.”
Hataları ortadan kaldırmanın bu ekstra araçlar için bir kullanım olduğu ortaya çıktı. Grup, iterbiyum elektronlarını kararlı “temel durumlarından”, uygun koşullar altında uzun ömürlü olabilen ancak temelde kırılgan olan “metastabil durumlar” olarak bilinen uyarılmış seviyelere yükseltmeyi önerdi. Araştırmacıların kuantum bilgisini bu durumları kullanarak kodlama önerisi mantığa aykırıdır.
Thompson, elektronların ip üzerinde yürüyor gibi göründüğünü belirtti. Ayrıca sistem, yanlışlığa yol açan aynı unsurların elektronların ipten kaymasına da neden olacak şekilde tasarlanmıştır.
Bir ytterbium kübit koleksiyonu aydınlatılabilir, ancak yalnızca kusurlu olanlar yanar, çünkü ek bir bonus olarak elektronlar zemin durumuna ulaştıktan sonra ışığı son derece görünür bir şekilde saçarlar. Işık verenler ise hata olarak kabul edilmemelidir. Bu gelişme, araştırma ekibinin disiplinler arası doğasından ve yakın işbirliğinden yararlanarak, kuantum hata düzeltme teorisi ve kuantum hesaplama donanımından elde edilen bilgilerin birleştirilmesini gerektirmektedir.
Bu konfigürasyonun mekaniği Thompson’ın iterbiyum atomlarına özgü olsa da, kuantum kübitlerini silme hataları üretecek şekilde tasarlama fikrinin, birçoğu şu anda küresel olarak geliştirilmekte olan diğer sistemlerde yararlı bir hedef olabileceğini iddia etti. Thompson, grubun halen bu fikir üzerinde çalıştığını da sözlerine ekledi.
Thompson’a göre, diğer gruplar sistemlerini hataları silmeye dönüştürecek şekilde tasarlamaya başladı bile. Thompson, “Bu araştırmayı çok çeşitli şekillerde kullanılabilecek bir tür mimari ortaya koymak olarak görüyoruz” dedi. Araştırmacı, “Bu görev için uyarlamalar keşfetmeye şimdiden çok ilgi duyuyoruz” dedi.
Thompson’ın ekibi şu anda bir sonraki adım olarak onlarca kübiti entegre eden mütevazı bir operasyonel kuantum bilgisayarında hataların silinmeye dönüştürülmesinin bir gösterimi üzerinde çalışıyor.
Kaynak: scitechdaily
