Google, Willow kuantum işlemcisinde geliştirdiği yöntemle karmaşık hesaplamalarda kullanılan mantıksal T durumlarını yüzde 99,99 doğrulukla hazırladı. Magic state cultivation adı verilen yaklaşım, bu özel kuantum durumlarının üretiminde gereken donanım ve hesaplama kaynaklarını azaltmayı hedefliyor.
Özel kuantum durumları yüksek kaynak gerektiriyor
Kuantum bilgisayarların güvenilir çalışması için kübit hatalarını düzeltmek tek başına yeterli değil; karmaşık hesaplamalarda ihtiyaç duyulan bazı işlemlerin de yüksek doğrulukla yapılması gerekiyor. Bu işlemlere imkân tanıyan magic state olarak bilinen kuantum durumlarını üretmek ise hata oranlarının düşük tutulmasını gerektiriyor.
Geleneksel magic state distillation yöntemi, hata içerebilecek çok sayıda kuantum durumunu işleyip daha az sayıda, daha güvenilir sonuç elde etmeye dayanıyor. Bu süreç ciddi miktarda donanım ve hesaplama gücü kullanabiliyor. Bazı tahminler, gelecekteki kuantum bilgisayarların kaynaklarının yüzde 95’e kadarının bu durumları üretmeye ayrılabileceğine işaret ediyor. Üstelik her bir sihirli durum yalnızca bir kez kullanılabildiğinden, yeni işlemler için tekrar üretim gerekiyor.
Magic state cultivation yöntemi nasıl çalışıyor?
Google araştırmacıları Craig Gidney, Noah Shutty ve Cody Jones, 2024’te ortaya konan teorik bir yaklaşımı geliştirerek magic state cultivation yöntemini tasarladı. Yöntem, başlangıçta küçük bir kuantum sisteminde hazırlanan ve hatalı olabilecek durumu hassas ölçümlerden geçiriyor. Kontrolleri başaramayan denemeler eleniyor; başarılı sonuçlar daha büyük bir yapıya genişletiliyor. Böylece çok sayıda kusurlu durumu işlemek yerine küçük bir sistemden yüksek doğrulukta kuantum durumu elde edilmesi amaçlanıyor.
Willow işlemcisinde doğruluk yüzde 99,99’a ulaştı
Yaklaşımın gerçek donanımda denenmesi sırasında araştırmacı Emma Rosenfeld, ölçümlerde beklenmedik sapmalar saptadı. Aylarca süren test ve simülasyonlar, sorunun laboratuvardaki elektrikli ekipmanlardan kaynaklanan gürültü ve sıcaklık değişimleriyle bağlantılı olduğunu ortaya koydu. Bu etkenler, kuantum durumlarının doğruluğunu ölçme yöntemini etkiliyordu.
Ekip, işlemcinin kontrol sistemlerini iyileştirmenin yanı sıra yeni bir değerlendirme tekniği geliştirdi. Kickback tomography adı verilen teknik, önceki ölçümlerdeki gürültü etkisini azaltarak kuantum durumlarının güvenilirliğini daha doğru ölçmeye yardımcı oldu. Çalışmalar sonucunda Willow’da magic state cultivation ile hazırlanan durumların hata oranı, yöntemin kullanılmadığı duruma göre yaklaşık 40 kat düşürüldü. Deneylerde, karmaşık kuantum hesaplamalarında kullanılabilen mantıksal T durumları yüzde 99,99 doğrulukla hazırlandı.
Farklı hata düzeltme kodları arasında aktarım
Araştırmacılar, hazırladıkları kuantum durumlarını farklı hata düzeltme yöntemleri arasında da aktardı. Grafting tekniğiyle mesafesi 3 olan bir renk kodundan (color code), mesafesi 5 olan bir yüzey koduna (surface code) geçiş yapıldı. Bu iki kod, kuantum bilgisayarlarındaki hataları belirleyip düzeltmek için kullanılan farklı yaklaşımlar. Kod mesafesi, belirli hata türlerine karşı sağlanan korumayla ilişkili; daha yüksek mesafe genellikle daha güçlü koruma sunarken daha fazla donanım kaynağı gerektirebiliyor.
Aktarımın gerçek bir kuantum işlemcisi üzerinde gösterilmesi, gelecekte farklı hata düzeltme yöntemlerinin birlikte kullanılabilmesi açısından önem taşıyor. Ancak geçiş sırasında ek hataların ortaya çıkması, tekniğin geliştirilmesi gerektiğini gösteriyor. Google’ın sonuçları, magic state cultivation yönteminin gerçek kuantum donanımında uygulanabildiğini ortaya koysa da pratik kullanım için çok daha büyük ölçekte çalışabildiğinin gösterilmesi gerekiyor.
