Kuantum teknolojileri dünyası yepyeni bir döneme giriyor. Özellikle Atom Computing ekibi kritik bir sorunu çözmeyi başardı. Böylece nötr atom kuantum bilgisayarları artık “atom kaybı” yaşamayacak. Araştırmacılar, bu bağlamda “Kübit Geri Dönüşümü” tekniğini geliştirdi. Kısacası bu teknik, hatasız ve ölçeklenebilir işlemcilerin yolunu sonuna kadar açıyor.
Bilim dünyası uzun süredir kuantum bilgisayarları pratik hayata taşımaya çalışıyor. Ne var ki bu cihazların önünde büyük bir engel var. Söz konusu engel, Hata Düzeltme sorunudur. Zira kuantum durumları son derece kırılgandır. Bu nedenle onları dış etkilerden korumak gerekir. Bunun için de çok sayıda “yardımcı” kübit kullanmak şarttır.
Oysa eski yöntemler bu konuda yetersiz kalıyordu. Çünkü yardımcı kübitleri ölçmek oldukça zordur. Üstelik ölçüm işlemi genellikle atomu sistemden atar. Araştırmacılar bu durumu “yıkıcı ölçüm” olarak tanımlar. Sonuçta bilgisayarın “yakıtı” hızla tükenir. Dolayısıyla atomlar biter ve hesaplama yarım kalır.
ABD merkezli Atom Computing araştırmacılarının yeni çalışması ise bu durumu tamamen değiştirdi. Ekip, Physical Review X dergisinde detaylı bir makale yayımladı. Böylelikle geliştirdikleri yöntem, nötr atom platformlarının kaderini değiştiriyor.
Nötr Atomlarda “Kübit Geri Dönüşümü” Neden Gerekli?
Nötr atom bilgisayarları temel olarak lazer teknolojisi kullanır. Sistem, atomları optik cımbızlar içinde tutar. Aslında bu platformlar süper iletken devrelere göre avantajlıdır. Ancak hata düzeltme süreçleri ciddi bir darboğaz yaratıyordu.
Kuantum algoritmaları sürekli kontrol ister. Yani ara ölçümler yapmak zorundasınız. Veriyi ancak bu şekilde korursunuz. Fakat bu ölçümler genellikle atomu fırlatıp atar. Ölçülen atom ya ısınır ve tuzaktan kaçar ya da kuantum durumu tamamen bozulur.
Bu senaryoda sistem sürekli atom kaybeder. Örneğin bunu bir savaş uçağına benzetebiliriz. Uçak her manevra yaptığında bir motorunu fırlatıyor. Haliyle uçak kısa sürede motorsuz kalır ve düşer. Atom Computing ekibi işte bu sorunu çözdü. Artık uçak havada uçarken ona yakıt ikmali yapıyorlar. Hatta bozulan motoru tamir ediyorlar.
Kübit Geri Dönüşümü Stratejisi: “Azalt, Yeniden Kullan, Yenile”
Projenin lideri Matt Norcia ve ekibi akıllıca bir yol izledi. Çalışmalarında özellikle Ytterbium (Yb) atomlarını kullandılar. Ayrıca üç aşamalı bir protokol tasarladılar. Nitekim bu protokol sistemi durdurmadan çalışıyor.
1. Kaybı Azalt (Reduce)
İlk olarak hedef zayiatı azaltmaktır. Bu amaçla ekip özel bir ölçüm tekniği geliştirdi. Bu teknik atomları tamamen sistemden atmaz. Aksine sadece gerekli bilgiyi alır. Böylece “düşük kayıplı ölçüm” sayesinde mevcut atom stoğu korunur.
2. Yeniden Kullan (Re-use) – Gerçek Geri Dönüşüm
Dahası, işin en devrimci kısmı burasıdır. Normal şartlarda yardımcı kübit görevini yapınca ısınırdı. Bu yüzden onu atmak gerekirdi. Ancak araştırmacılar bu atomları geri kazanmayı başardı. Kullanılmış atomları alıyorlar. Ardından onları tekrar soğutuyorlar.
Bu soğutma işlemi çok hassastır. Çünkü yan tarafta işlem yapan “veri kübitleri” vardır. Yine de soğutma işlemi onlara zarar vermez. Nihayetinde sıfırlanan atomlar tekrar göreve hazır hale gelir.
3. Yenile (Replenish) – Sürekli Takviye
Buna ek olarak, bazen bir atom tamamen kaybolur. Veya kullanılamaz hale gelir. Bu durumda sistem çökmez. İşlemcinin hemen yanında bir “yedek havuz” bulunur. Fizikçiler buna Magneto-Optik Tuzak (MOT) adını verir.
Sistem bu havuzdan taze bir atom alır. Optik cımbızla onu taşır. Sonrasında boşalan yere yerleştirir. Bu sırada ana işlemci çalışmaya devam eder. Özetle lazer ışıkları veya manyetik alanlar ana işlemi bozmaz.
Matt Norcia durumu şöyle açıklıyor:
“Faydalı bir kuantum hesaplama çok sayıda işlem katmanı gerektirir. Dolayısıyla atom sayısını sabit bir seviyede tutmalıyız. Aksi takdirde bu hesaplamaları tamamlayamayız.”
Teknik Detay: Kübit Geri Dönüşümü İçin Neden Ytterbium (Yb)?
Hasan Hoca için bu kısım önemlidir. Zira başarı tesadüf değildir. Bilhassa Ytterbium elementinin atomik özellikleri bu başarıyı mümkün kıldı. Ekip, Microsoft Quantum ve Stanford Üniversitesi ile iş birliği yaptı. Ytterbium’u seçmelerinin ise üç temel nedeni var:
- İkili Taban Durumu : Yb atomları mükemmel bir yapıya sahiptir. Çünkü doğal bir “0 ve 1” durumu sunarlar. Bu durum hesaplama için idealdir.
- Zayıf Geçişler : Yb’nin enerji seviyeleri arasındaki geçişler çok seçicidir. Araştırmacılar lazeri sadece belirli bir atoma odaklar. Sonuçta o atomu soğuturlar. Yanındaki işlem yapan atom ise bu ışığı hissetmez bile. Böylelikle “çapraz karışma” engellenir.
- İzole Bölgeler: Ekip mekanik bir çözüm de buldu. Örneğin ölçülecek atomları fiziksel olarak taşıdılar. Onları hesaplama bölgesinden uzaklaştırdılar. Bu sayede lazer saçılmasını ana veriden uzak tuttular.
Harvard Grubu ve Küresel Rekabet
Diğer taraftan bu alanda tek oyuncu Atom Computing değildir. Harvard Üniversitesi’nden ünlü fizikçi Mikhail Lukin de sahneye çıktı. Lukin ve ekibi benzer bir başarıya imza attı. Ancak onlar deneylerinde Rubidium (Rb) atomlarını kullandı.
İki farklı grup aynı sorunu çözdü. Buna karşılık iki farklı atom türüyle başarıya ulaştılar. Bu durum teknolojinin olgunlaştığını kanıtlıyor. Kısaca nötr atomlar artık rüştünü ispatladı. Üstelik süper iletken (IBM, Google) ve iyon tuzağı (IonQ) teknolojilerine karşı güçlü bir rakip oldular.
Sonuç: Kübit Geri Dönüşümü İle Sonsuz Döngüye Doğru
Sonuç olarak bu çalışma kuantum dünyasında bir kilometre taşıdır. Bilgisayarlar artık sadece “birkaç saniyelik” deney araçları değildir. Aksine saatlerce, hatta günlerce çalışabilirler. Ayrıca kendi kendilerini onarabilirler.
“Kübit Geri Dönüşümü” donanım tarafındaki en büyük lojistik sorunu çözdü. Bundan böyle hataya toleranslı kuantum bilgisayarlar hayal değil. Özetle fiziksel “donanım tazeleme” devri resmen başladı.
Haberi Derleyen: Dilara Sipahi
KAYNAKÇA
physicsworld.com/a/qubit-recycling-gives-neutral-atom-quantum-computing-a-boost/