D-Wave'den kuantum bilgisayarı yarışında yeni adım

Geçtiğimiz yüzyılda kurulan D-Wave, kuantum bilişim sektöründe farklı bir yere sahip. Şirketin ilk ürünleri, IBM veya Google tarafından geliştirilen kuantum bilgisayarlarından farklıydı. Bunun yerine şirket, genel amaçlı olmayan ancak çok sayıda optimizasyon problemini çözebilen kuantum tavlayıcı adını taşıyan makineler üretti. Bu donanım, kapı tabanlı kuantum bilgisayarlarındaki qubit'lerle bazı benzerlikler taşısa da tamamen farklı bir mantıkla çalışıyor.

Ancak şirket, birkaç yıl önce kapı tabanlı donanım üzerinde çalışmaya başladı ve fluksonyum adı verilen sıra dışı bir qubit teknolojisini tercih etti. Bu yıl ise Yale Üniversitesi'nden ayrılan ve Amazon'un da kullandığı ikili raylı qubit teknolojisini geliştiren Quantum Circuits adlı girişimi bünyesine kattı. Bu teknoloji, hataların çoğunun kolayca tespit edilmesini sağlayarak hata düzeltme sürecini basitleştirmeyi vaat ediyor.

Şirket, Nature dergisinde yayımlanan makalesinde, ikili raylı teknolojisinin doğrulanmasında atılan kilit bir adımı paylaştı. Çalışmada, en iyi özelliklerini bozmadan iki qubit'in birbiriyle dolanık hale getirilebildiği gösterildi.

İkili raylı bir qubit'in temel yapısı, sol ve sağ olarak adlandırılan iki bağlantılı rezonatörün oluşturulmasına dayanıyor. Sisteme tek bir foton yerleştirilip ölçüm yapıldığında, foton her zaman sol ya da sağ rezonatörde yer alıyor. Ancak bu tek fotonu hem sol hem de sağın bir süperpozisyonuna yerleştirmek de mümkün. Qubit üretmek için gereken tüm özellikler de bunlardan ibaret.

İkili raylı sistemin en güzel yanı, en yaygın hatanın fotonun donanımdan kaçması olması. Fotonun kaybolması içerdiği bilgiyi sildiği için bu durum bazen silme qubit'i olarak adlandırılıyor. İkinci en yaygın hata ise qubit'in fazının ters dönmesi; bit değişimleri ise çok uzak bir üçüncü sırada yer alıyor. En önemlisi, foton kaybı ek qubit'lere ihtiyaç duymadan doğru donanımla kolayca tespit edilebiliyor.

Diğer hatalarla başa çıkmak için yine de bir hata koduna ihtiyaç duyuluyor. Ancak bu hataların daha seyrek görülmesi ve faz değişimlerinin yaygın olması nedeniyle, daha basit ve kompakt bir hata kodu kullanılabiliyor. Bu durum, mantıksal ve hata düzeltmeli her qubit için daha az donanım qubit'i ayrılması anlamına geliyor. D-Wave, bu sayede çok fazla donanım inşa etmek zorunda kalmadan faydalı kuantum hesaplamaları elde etmeyi amaçlıyor.

Ancak ikili raylı qubit'ler diğer yaklaşımlar kadar yaygın bir şekilde incelenmediği için şirket bulgularını yayımlıyor. Üç hata türünün göreceli sıklıkları çoğunlukla ilk değerlerini korumaya çalışan tekli qubit'ler üzerinde incelendi. Hesaplama yapmak ise qubit'ler üzerinde çok sayıda işlem yapılmasını gerektiriyor ve bu işlemler farklı bir hata hiyerarşisi oluşturabiliyor.

D-Wave yetkilisi Trevor Lanting, iki qubit veya dolanıklık kapıları üretilmeye başlandığında hata hiyerarşisinin bozulabildiğini belirtti. Lanting, Nature dergisinde yayımladıkları bu iki qubit'li kapı ile ilgili en heyecan verici konulardan birinin hata hiyerarşisini koruması olduğunu ifade etti. Amazon ise ikili raylı qubit'ler arasındaki bağlantıların transmon tabanlı aracı bir qubit ile sağlandığı bir sistemi seçtiği için bu tür bir adım atmaya ihtiyaç duymadı.

D-Wave araştırmada üç şeyi amaçladı: İki ikili raylı qubit'in dolanıklığını göstermek, işlemin pratik kuantum bilişimi için yeterince hızlı olduğunu kanıtlamak ve hataların qubit bellek olarak kullanıldığı durumla kabaca aynı oranda meydana geldiğini ortaya koymak.

Şirket, her biri iki bağlantılı rezonatör içeren bir çift ikili raylı qubit kurdu. İkisinin arasında açılıp kapatılabilen ayarlanabilir bir bağlayıcı yerleştirildi. Bağlayıcının durumuna göre iki qubit bağımsız çalıştı ya da etkileşime girdi. Uygulamada bu durum, bağlayıcının kontrol qubit'i tarafından kısmen işgal edilmesini ve ikincisiyle etkileşime girmesini sağlıyor.

Dolanıklık kapısı çalıştırmak oldukça basit bir şekilde gerçekleşti. Bağlantı etkinleştiriliyor, bekleniyor ve ardından tekrar kapatılıyor. Bekleme süresi ise yaklaşık 200 nanosaniye sürerken, tüm dolanıklık süreci 500 nanosaniyede tamamlanıyor. Lanting, bu işlemleri birkaç yüz nanosaniyede gerçekleştirebildiklerini ve dolayısıyla hızlı operasyonlar yürüttüklerini vurguladı.

Kritik olarak sistem, aynı hata türü hiyerarşisini de korudu. Dolandırma başına foton kaybı oranları yaklaşık yüzde 0,5 olarak ölçüldü ve bu oran diğer hata türlerinden beş kat daha yaygındı. Makalede bit değişimlerinin 10 üzeri eksi 6 seviyesinde pratik olarak yok denecek kadar az olduğu belirtildi.

Tabii ki bu durum D-Wave'in çalışmasının bittiği anlamına gelmiyor. Cihazlar, daha fazla işlem yapıldıkça artan hata oranları gösterdi. Makalede, kapı sayısı arttıkça son durumun hem kalitesinin hem de saflığının beklenmedik bir şekilde azaldığı kabul ediliyor. Bunun nedeni olarak kalibrasyon parametrelerindeki kaymalar veya bağlayıcı transmon frekansındaki dalgalanmalar gösteriliyor.

Sistemin daha karmaşık işlemlere hazır hale gelmesi için yapılması gereken çalışmalar bulunuyor. Hata düzeltme, hesaplama devam ederken donanımın ölçüm yapabilmesini de gerektiriyor. Foton kaybı tespiti için çalışmalar devam ederken, Lanting devre çalışırken bu hataları tespit etmeye yönelik planları ve fikirleri olduğunu belirtti.

Üzerinde çalışılması gereken diğer bir alan ise büyük hata sınıfları arasındaki farklar bulunduğunda hata tespiti teorisi. Bir mantıksal qubit'in hata verilerini yorumlamak için gereken klasik hesaplama oldukça büyük. Ancak Lanting, ikili raylı qubit'in bu süreci azaltabileceğini ifade etti.

D-Wave, 2028 yılına kadar 181 ikili raylı qubit'e ulaşmayı hedefliyor. Donanımın beklendiği gibi performans göstermesi durumunda, yüz veya daha fazla mantıksal qubit'e ev sahipliği yapacak yeterli sistemi kurmak ve birbirine bağlamak sonraki aşama olacak.