Google’dan kuantum bilgisayarlar için kritik adım: Özel durumlarda hata 40 kat azaldı

Kuantum bilgisayarların gelişiminde temel sorunlardan biri, hesaplama kapasitesini artırırken hataları kontrol altında tutabilmek. Google’ın Willow işlemcisinde gerçekleştirdiği deneyler, bu sorunun önemli bir parçası olan yüksek doğrulukta kuantum durumu üretimine odaklandı.

Şirketin paylaştığı sonuçlara göre, “magic state cultivation” adı verilen yöntemle hazırlanan özel kuantum durumlarının hata oranı, yöntemin kullanılmadığı duruma kıyasla yaklaşık 40 kat azaltıldı. Deneylerde mantıksal T durumları yüzde 99,99 doğrulukla elde edildi. Bu oran, kuantum bilgisayarın bütün hesaplamalarındaki başarıyı değil, hazırlanan belirli kuantum durumlarının doğruluğunu ifade ediyor.

Çevresel etkilerden kolayca etkilenen kübitleri hatalara karşı korumak, tek başına karmaşık kuantum hesaplamaları için yeterli olmuyor. Hata düzeltmeyle korunan sistemlerde bazı işlemlerin gerçekleştirilebilmesi için “magic state” olarak adlandırılan özel kuantum durumlarına da ihtiyaç duyuluyor. Bu durumların üretilmesi ise yüksek kaynak tüketimine yol açabiliyor. Geleneksel yaklaşımlardan “magic state distillation”, hatalı olabilecek çok sayıda durumu işleyerek daha az sayıda, daha güvenilir durum elde edilmesine dayanıyor.

Bazı tahminler, gelecekteki kuantum bilgisayarların kaynaklarının yüzde 95’e varan bölümünün bu üretime ayrılabileceğine işaret ediyor. Üstelik söz konusu durumlar kullanıldıklarında tüketildiği için hesaplamalar boyunca yenilerinin hazırlanması gerekiyor.

Google araştırmacıları Craig Gidney, Noah Shutty ve Cody Jones’un 2024 yılında önceki teorik çalışmaları geliştirerek tasarladığı yaklaşım, üretim sürecini daha küçük bir kuantum sistemi üzerinde başlatıyor. Hazırlanan durum, hassas ölçümlerle kontrol ediliyor. Kontrolleri geçemeyen denemeler elenirken başarılı sonuçlar daha büyük bir yapıya taşınabiliyor. Böylece çok sayıda kusurlu durumu bir arada işlemek yerine, başlangıç aşamasında yüksek doğruluk elde edilmesi hedefleniyor. Bu yaklaşım, özel kuantum durumlarının hazırlanmasında kullanılan donanım ve hesaplama kaynaklarını azaltabilecek bir seçenek sunuyor.

Yöntemin Willow üzerinde uygulanması sırasında ekip, ölçüm sonuçlarında beklenmedik sapmalarla karşılaştı. Araştırmacı Emma Rosenfeld’in gözlemlediği sorunun nedenini belirlemek için aylar süren testler ve simülasyonlar yapıldı. İncelemeler, laboratuvardaki elektrikli ekipmanlardan kaynaklanan gürültü ve sıcaklık değişimlerinin doğruluk ölçümlerini etkilediğini gösterdi. Ekip, işlemcinin kontrol sistemlerini iyileştirmenin yanı sıra “kickback tomography” adı verilen yeni bir ölçüm tekniği geliştirdi. Bu teknikle gürültünün değerlendirme üzerindeki etkisi azaltıldı.

Araştırmacılar, hazırlanan kuantum durumlarını iki farklı hata düzeltme yapısı arasında aktarmayı da başardı. “Grafting” adı verilen teknikle, kod mesafesi 3 olan bir renk kodundan mesafesi 5 olan bir yüzey koduna geçiş gerçekleştirildi. Kod mesafesi, sistemin belirli hatalara karşı sağladığı korumayla ilişkili. Daha yüksek mesafe genel olarak daha güçlü koruma sunarken daha fazla donanım gerektiriyor. Deneyde aktarım sırasında ek hataların oluşması, bu aşamanın geliştirilmesi gerektiğini ortaya koydu. Willow’da elde edilen sonuçlar, yöntemin gerçek kuantum donanımında uygulanabildiğini gösteriyor. Pratik hesaplamalarda kullanılabilmesi için ise başarının çok daha büyük sistemlerde de sürdürülebildiğinin gösterilmesi gerekiyor.