Google, Willow kuantum işlemcisinde geliştirdiği “magic state cultivation” yöntemiyle mantıksal T durumlarını yüzde 99,99 doğrulukla hazırladı. Yaklaşım, kuantum bilgisayarlarda özel kuantum durumları üretmek için gereken donanım ve hesaplama kaynaklarını azaltmayı hedefliyor.
Özel kuantum durumları daha az kaynakla hazırlanıyor
Kuantum bilgisayarların güvenilir biçimde çalışması için kübitlerdeki hataları düzeltmenin yanı sıra, karmaşık hesaplamalarda kullanılan bazı işlemleri de yüksek doğrulukla gerçekleştirmek gerekiyor. “Magic state” adı verilen özel kuantum durumları, hata düzeltme sistemleriyle korunan kübitlerde uygulanması güç işlemlerin yapılmasına imkân tanıyor.
Bu durumları düşük hata oranıyla üretmek ise maliyetli olabiliyor. Geleneksel “magic state distillation” yöntemi, hatalı olma ihtimali bulunan çok sayıda kuantum durumunu işleyerek daha az sayıda, daha güvenilir sonuç elde ediyor. Süreç önemli miktarda donanım ve hesaplama kaynağı gerektirebiliyor. Bazı tahminlerde gelecekteki kuantum bilgisayarların kaynaklarının yüzde 95’e kadarının bu özel durumları üretmeye ayrılabileceği belirtiliyor. Ayrıca her magic state yalnızca bir kez kullanılabildiği için yenilerinin sürekli hazırlanması gerekiyor.
Google araştırmacıları Craig Gidney, Noah Shutty ve Cody Jones, 2024’te ortaya konan teorik bir yaklaşımı geliştirerek magic state cultivation yöntemini tasarladı. Yöntem, kusurlu olabilecek bir kuantum durumunu küçük bir alanda hazırlayıp hassas ölçümlerle sınamaya dayanıyor. Kontrolleri geçemeyen denemeler ayıklanıyor; başarılı sonuçlar daha büyük bir yapıya genişletiliyor. Böylece çok sayıda kusurlu durumu işlemek yerine daha küçük bir sistemden yüksek doğrulukta durum elde edilmesi amaçlanıyor.
Willow’da mantıksal T durumları yüzde 99,99 doğrulukta
Yöntemin gerçek donanımda denenmesi sırasında araştırmacı Emma Rosenfeld, ilk deneylerin ölçümlerinde beklenmedik sapmalar tespit etti. Aylar süren deney ve simülasyonların ardından ekibin değerlendirmesine göre sapmalar, laboratuvardaki elektrikli ekipmanların oluşturduğu gürültü ve sıcaklık değişimleriyle bağlantılıydı. Bu etkenler, kuantum durumlarının doğruluğunu ölçen yöntemin güvenilirliğini düşürüyordu.
Google ekibi işlemci kontrol sistemlerini iyileştirdi ve kuantum durumlarının doğruluğunu değerlendirmek için “kickback tomography” adlı yeni bir ölçüm tekniği geliştirdi. Teknik, önceki ölçümlerdeki gürültünün etkisini azaltarak doğruluğun daha güvenilir biçimde belirlenmesine yardımcı oldu.
Çalışmaların sonucunda magic state cultivation, Willow işlemcisinde hazırlanan kuantum durumlarının hata oranını yöntemin kullanılmadığı duruma kıyasla yaklaşık 40 kat azalttı. Deneylerde, karmaşık kuantum hesaplamalarında kullanılabilen mantıksal T durumları yüzde 99,99 doğrulukla hazırlandı.
Farklı hata düzeltme kodları arasında aktarım
Ekip, hazırlanan kuantum durumlarını iki ayrı hata düzeltme yaklaşımı arasında aktarmayı da gösterdi. “Grafting” tekniğiyle mesafesi 3 olan bir renk kodundan (color code), mesafesi 5 olan bir yüzey koduna (surface code) geçiş yapıldı. Bu kodlar kuantum bilgisayarlarındaki hataları tespit edip düzeltmek için kullanılıyor. Kod mesafesi, belirli hata türlerine karşı sağlanan korumayla ilişkili; daha büyük mesafe genel olarak daha güçlü koruma sunabiliyor, ancak daha fazla donanım kaynağı gerektirebiliyor.
Aktarımın gerçek bir kuantum işlemcisinde gerçekleştirilmesi, farklı hata düzeltme yöntemlerinin birlikte kullanılabilmesi açısından önem taşıyor. Bununla birlikte geçiş sırasında ek hatalar oluştu; sonuç, yöntemin geliştirilmesi gerektiğine işaret ediyor. Google’ın deneyi magic state cultivation’ın gerçek kuantum donanımında uygulanabildiğini gösterse de yaklaşımın pratikte kullanılabilmesi için çok daha büyük ölçekte çalıştığının ortaya konması gerekiyor.
