Caltech'in 'Ocelot'u Kuantum Bilgisayarlarındaki İlerlemeyi Engelleyen Son Hata Oldu

Geçtiğimiz yıl, McKinsey & Company kapsamlı bir rapor yayınladı Kuantum hesaplamanın gelecekteki yörüngesini çiziyor. Rapor, iddialı bir şekilde "Kuantum Hesaplamanın Yükselişi" adını taşıyordu. Ancak bu iddialar yersiz değildi.

McKinsey, Kuantum Bilgisayara doğru yolculuğun, teknolojik atılımların hızlanması, yatırım akışının artması ve start-up ekosisteminin yaygınlaşmasıyla ilerlediğini söyledi.

Tüm bu faktörler, iş liderlerini sağlam kuantum hesaplama stratejileri planlamaya yöneltmekten sorumluydu. Üçüncü yıllık Quantum Technology Monitor için güncellenen McKinsey analizi, dört sektörün (kimyasallar, yaşam bilimleri, finans ve mobilite) kuantum hesaplamadan muhtemelen en erken etkiyi göreceğini ve 2'e kadar 2035 trilyon dolara kadar kazanç sağlayabileceğini ortaya koyuyor.

Kuantum Bilişiminin McKinsey'in öngördüğü gibi büyümesi için gelişen bir inovasyon ekosistemine ihtiyaç duyulacaktır. Bu konuda en ileri atılımlardan birinde, Caltech kampüsünde AWS Kuantum Hesaplama Merkezi¹ Kuantum bilgisayarlarındaki hataları bastırmanın bir yolunu buldular; bu sorun, geleceğe hazır kuantum makinelerinin inşasında en büyük engel olabilir. 

'Sorun' Neydi?

Fizikteki niş alanları incelemenin ötesine geçen genel amaçlı bir kuantum bilgisayarı inşa etmek, gürültüye karşı doğal duyarlılığı nedeniyle bir zorluk olmaya devam ediyor. Araştırmacılar, titreşimlerin, ısının, cep telefonlarından ve Wi-Fi ağlarından gelen elektromanyetik girişimin ve hatta uzaydan gelen kozmik ışınların ve radyasyonun hepsinin kübitleri (kuantum bitleri) devirebileceğini, onları kuantum durumlarından çıkarabileceğini ve klasik bilgisayarlardan önemli ölçüde daha fazla hataya neden olabileceğini buldular.

Daha bilimsel bir kesinlikle açıklamak gerekirse, Bağlantılı Bozonik Kübitler Aracılığıyla Donanım Verimli Kuantum Hata Düzeltmesi başlıklı araştırma, kuantum hata düzeltmesini içerecek kuantum bilgisayarları inşa etmeye yöneliktir. Birçok gürültülü fiziksel kübitte yedekli olarak kodlanmış mantıksal bir kübite sahip olacaktır.

Ocelot: Çözüm

Daha basit bir ifadeyle, AWS ve Caltech'ten bilim insanlarından oluşan ekip, hataları bastırmak için yeni bir kuantum çip mimarisi gösterdi kübit türü kedi kübiti olarak bilinir.

Kedi Kübitleri yeni değil; ilk olarak 2001'de önerildiler. O zamandan beri araştırmacılar bunları sürekli olarak geliştirdiler ve iyileştirdiler. Ekip için çığır açan gelişme, kuantum hatalarını etkili bir şekilde azaltmak için tasarlanmış ilk ölçeklenebilir kedi kübit çipinin yaratılmasıyla geldi. Çip, benekli vahşi kediye ithafen Ocelot olarak adlandırıldı ve aynı zamanda kedi kübitlerinin altında yatan dahili "osilatör" teknolojisine de atıfta bulundu.

Araştırmacılara göre, hata oranları bugün olduğundan bir milyar kat daha iyi olmalı. Ancak o zaman kuantum bilgisayarlar başarılı olarak adlandırılabilir. Yeni buluş, hedefe daha hızlı ulaşmamıza yardımcı olacak:

Oskar Painter'a (PhD' 01) göre John G Braun, Caltech'te uygulamalı fizik ve fizik profesörü ve AWS'de kuantum donanımı başkanıdır:

"Hata oranları her iki yılda bir yaklaşık iki kat azalıyor. Bu hızla, ihtiyacımız olan yere ulaşmamız 70 yılımızı alır. Bunun yerine, bizi oraya daha hızlı ulaştırabilecek yeni bir çip mimarisi geliştiriyoruz. Bununla birlikte, bu erken bir yapı taşı. Hala yapmamız gereken çok iş var."

Araştırmacılar, mevcut kübit teknolojilerinin dezavantajlarını vurgularken, hatalardan istenen koruma seviyesini sağlamak için binlerce ek kübit gerektirebileceğini söylüyorlar; bu, gazetelerin makalelerinin doğruluğunu doğrulamak için küçük bir ekip yerine devasa bir gerçek kontrolcü binası kullanmalarına benzer. Bu, aşırı ve kullanışsız olan genel giderlerin maliyeti nedeniyle sürecin çökmesine neden oluyor.

Caltech'te Teorik Fizik Bren Profesörü ve AWS'de uygulamalı bilim direktörü olan Fernando Brandão bu sorunu kabul ediyor. Şöyle diyor:

"Bu nedenle, genel giderleri azaltacak yeni hata düzeltme yaklaşımları deniyoruz."

Ocelot'un Temelindeki Salınım Teknolojisi

Ekip, mikrodalga osilatörlerinden yapılmış süperiletken devrelerden oluşan bir kübit türü kullanır; burada kübiti temsil eden 1 ve 0 durumları iki ayrı büyük ölçekli salınım genliği olarak tanımlanır. Bu yaklaşım, kübit durumlarını kararlı ve bit çevirme hatalarına karşı dayanıklı hale getirmeyi amaçlar.

Bit-flip hataları giderildikten sonra, düzeltilmesi gereken diğer hata faz-flip hatasıdır. Faz hatalarını tespit etmek için Ocelot çipi dört yardımcı kübit kullanır.

Ekibin basit tekrarlama kodu, faz değişimi hatalarını yakalamada etkili ve kod üç kedi kübitinden beş kedi kübitine çıktıkça gelişiyor.

Araştırmanın İleriye Doğru Yolu

Şu anda, gösteri bir kavram kanıtı aşamasında. Ancak, Painter gibi sürece dahil olan araştırmacılar, Ocelot'un gösterdiği performanstan heyecan duyuyorlar. Şöyle diyor:

"Bu, üstesinden gelinmesi çok zor bir sorun ve akademide yapılan önemli çalışmalara bağlı kalıp onlardan ders çıkarırken temel araştırmalara yatırım yapmaya devam etmemiz gerekecek."

Painter'ın da ima ettiği gibi, bu iyileştirmeler kurumsal patronlara ihtiyaç duyuyor. Ölçeklendirmek için yatırımlar gerekiyor. Aşağıdaki bölümlerde, Kuantum Bilgisayarı alanında önemli çalışmalar yapan bu tür şirketlerden birkaçını ele alacağız.

1. IBM (IBM )

Küresel çapta saygı duyulan teknoloji devi IBM, kararlılığını sürdürüyor kuantum hesaplamayı pratik hale getirmek dünyaya. Qiskit aracılığıyla dünyanın en büyük kuantum hesaplama filosuna erişim sağlayan IBM Quantum adlı özel bir bölümü işletmektedir. Qiskit, fayda amaçlı bütünsel bir programlama modeli oluşturmak için yazılım araçları ve hizmetleri sağlayan bir platformdur.

Örneğin IBM'in QuantumSafe platformu, 127 kübitlik sistemlerini ücretsiz sunarak kuantum geleceği için bir işletmeyi güvence altına alıyor. Ayrıca platform, sistemlere, belgelere ve öğrenme kaynaklarına tek bir yerden erişim sağlıyor.

Şirket, şunları yapmaya kararlıdır: kuantum hesaplama sorumluŞirketin bu konudaki misyon beyanı, "dünyanın daha iyi çalışmasını sağlayacak katalizör olmak"tır ve gelişimimizin bu misyonla uyumlu olmasını sağlamak için Sorumlu Kuantum Girişimi yürütmektedir.

IBM'e göre Sorumlu Kuantum Bilişim, etkilerinin farkında olan kuantum bilişimidir. Şirket, kuantum teknolojisini geliştirmek ve dağıtmak için ekibin şirket içinde uyguladığı beş Sorumlu Kuantum İlkesi oluşturmuştur. Bu ilkeler şunlardır:

• Olumlu bir toplumsal etki yaratın.
• Öngörüyle kullanım durumlarını keşfedin.
• IBM'in ürünlerini doğru bir şekilde tanıtın
• Tutarlı, ilkeli kararlar alın
• Çeşitli ve kapsayıcı bir kuantum topluluğu oluşturun

IBM Quantum™ Yol Haritası boyunca istikrarlı bir şekilde ilerleyen şirket, kurumsal düzeyde bulut hizmetleri sunmak için kuantum platformunu yükseltiyor.

Daha spesifik olarak, şirket kurumsal düzeyde altyapı ile yükseltme yapıyor. Ancak, eski kullanıcıları için sorunsuz kalmak adına şirket, yeni IBM Quantum Platform'un son sürümünün şu anda kullandığımız sürüme çok benzer olmasını sağlayacak.

Şirket, kullanıcıların geleneksel olarak barındırdığı belgelere ve öğrenme kaynaklarına erişmeye devam etmesini sağlayacaktır. Ancak yükseltme, artırılmış performans ve güçlü özelliklerle değeri artıracaktır.

Güncellemeyle birlikte sunulacak özellikler arasında gelişmiş veri gizliliği ve güvenliği, daha akıcı bir bildirim deneyimi, daha iyi platform gezintisi, İngilizce dışındaki dilleri konuşan kullanıcılar için birden fazla dil seçeneği gibi özellikler yer alacak.

IBM, kamuya açık erişilebilirliğin gelişmiş düzeyleri için bir Kuantum Ağı oluşturdu. Ağ, işletmeleri, üniversiteleri, laboratuvarları ve endüstri liderlerini kuantum faydasını ilerletme yolculuklarında destekliyor. Üyeler, araştırmayı hızlandırmak ve iş birliğini teşvik etmek için öğrenme kaynaklarına, uzmanlara ve etkinliklere erişim kazanıyor.

Son mali yıl içinIBM, sabit kur üzerinden yüzde 62.8, yüzde 1 artışla 3 milyar dolar gelir elde etti.

IBM Yönetim Kurulu Başkanı, Başkanı ve CEO'su Arvind Krishna, sonuçları hakkında konuşurken şunları söyledi:

"Üç yıl önce, daha hızlı büyüyen ve daha kârlı bir IBM vizyonu ortaya koyduk. IBM ekibinin taahhütlerimizi yerine getirmek veya aşmak için yaptığı çalışmalardan gurur duyuyorum. Odaklanmış stratejimiz, geliştirilmiş portföyümüz ve inovasyon kültürümüzle 2025 ve sonrası için iyi bir konumdayız ve bu yıl en az yüzde beş gelir artışı ve yaklaşık 13.5 milyar dolarlık serbest nakit akışı bekliyoruz."

2. Microsoft (MSFT )

Kuantum bilişim alanında öncü çalışmalar yapan bir diğer önde gelen teknoloji devi Microsoft'tur. Vizyonu, bilimsel keşfi hızlandıracak endüstri lideri gelişmiş teknoloji aracılığıyla bilimsel keşfi hızlandırmaktır.

Microsoft'un dört kuantum çözümünü takip edin:

• Microsoft Quantum Compute Platform: Yeni nesil kuantum uygulamalarına olanak sağlayan bir platform.
• Azure Quantum Elements: Bilimsel keşifleri hızlandırmak için özel olarak oluşturulmuş bir çözümdür.
• Kuantum Donanımı: Ölçeklenebilir bir kuantum süperbilgisayarının kilidini açmayı hedefleyen çözüm.
• Kuantum Ağları: Kuantum ağıyla dağıtılmış kuantum hesaplamayı mümkün kılan bir çözüm

Bu çözümlere kullanıcılarının prizmasından bakarsak, farklı çözümler farklı hizmetler sunar. Örneğin, Microsoft Quantum Compute platformu aracılığıyla, bilimsel keşifleri hızlandırmak için son teknoloji kuantum donanımlarına, güvenilir mantıksal kübitlere, gelişmiş AI modellerine ve HPC simülasyonlarına erişim sağlamak mümkündür.

Azure Quantum Elements çözümü, Yüksek Performanslı Bilgi İşlem, Yapay Zeka ve gelecekteki bir kuantum bilgisayarı aracılığıyla kimya ve malzeme bilimi alanındaki bilimsel keşiflerin hızlandırılmasına yardımcı oluyor.

Şirket, Microsoft Quantum Hardware aracılığıyla iklim değişikliğini tersine çevirmek ve gıda güvenliğini artırmak gibi sorunlarla başa çıkabilmemizi sağlayacak bir kuantum süper bilgisayarı geliştiriyor.

Son olarak şirket, Microsoft Quantum Networking aracılığıyla kuantum kümelerini ölçeklendirmek ve yeni güvenlikle ilgili uygulamaları etkinleştirmek için kuantum ağ oluşturma yetenekleri sunmayı hedefliyor.

Microsoft Kuantum Donanımı'nı daha derinlemesine incelersek, bunun gerçekten de bir çığır açıcı olduğunu fark ederiz. Bu çığır açıcı gelişmenin sebebi, yalnızca ölçüme dayalı kuantum bilişiminin öncüsü olmasıdır; kuantum bilgilerini kontrol etmenin temelde daha basit bir yolu.

Microsoft'un Topolojik Çekirdek tarafından desteklenen işlemcisi, bir milyon kübite kadar ölçeklenebilecek şekilde tasarlandı; bu da enerji, tıp ve diğer alanlarda insanlığın karşılaştığı en zorlu zorlukların üstesinden gelebilecek yeterli bilgi işlem gücü anlamına geliyor.

Bu bağlamda, Nature dergisinde yayımlanan Microsoft'un 'Inas-Al Hibrit Cihazlarda İnterferometrik Tek Atışlı Parite Ölçümü' başlıklı makalesine bakılabilir.

Microsoft Quantum Hardware genel olarak aşağıdaki temel sütunlar üzerinde durmaktadır:

• Ölçeklenebilirlik: Çözüm, yararlı kuantum hesaplamayı mümkün kılmak için tasarlanmıştır
• Kararlılık: Donanım düzeyinde hatalara karşı dayanıklıdır.
• Küçük: Donanım, tek bir çipe bir milyondan fazla kübit sığdırma kapasitesine sahiptir.
• Hızlı: İşlem başına 1 mikrosaniyeden az sürer.
• Kontrol edilebilir: Voltaj darbeleri hassas dijital kontrol sağlar.

Azure Quantum Elements'in temel özelliklerine bakarsak, üretken kimyası, istenen özelliklere sahip yeni moleküllerin keşfini ve tasarımını büyük ölçüde basitleştirmek için üretken AI'nın gücünden yararlanır. Hızlandırılmış DFT özelliği, saatler içinde binlerce atoma sahip moleküllerin özelliklerini belirleyerek diğer DFT kodlarına kıyasla hızda önemli bir artış sağlar.

Ayrıca, açık ekosistem Azure Quantum Elements için optimize edilmiş bilindik yazılım çözümlerinden faydalanılmasına yardımcı olur.

Microsoft'un Azure Quantum Elements çözümü, birçok araştırma kurumu ve şirketinin geleceğe yönelik çözümler sunmasına yardımcı oldu. Örneğin, Unilever, Ar-Ge dönüşümünü ve ürün inovasyonunu desteklemek için Microsoft süper bilgisayar ve yapay zeka hizmetlerinin gücünden yararlandı.

Microsoft ve Pasifik Kuzeybatısı Ulusal Laboratuvarı, daha iyi piller için potansiyel taşıyan yeni bir malzeme belirlemek için güçlerini birleştirdi. Şirket, kuantum kimyası iş akışı tasarlamak için AspenTech ile iş birliği yaptı. Azure Quantum ile hidrojen yakıt hücresi inovasyonunu hızlandırmak için Johnson Matthey ile güçlerini birleştirdi.

Microsoft ve 1910 Genetics, ilaç endüstrisi için Ar-Ge üretkenliğini turboşarj etmek için ortaklık kurarken, kuantum hesaplamalı kimyayı hızlandırmak için InQuanto ile ortaklık kurdu. Microsoft, Kuantum Hesaplamanın sağlam ve verimli bir gelecek için nasıl verimli bir şekilde faydalı olabileceğini göstermede genel olarak önemli bir rol oynadı.

2024, Microsoft'un şirket olarak 50. yılını kutladığı yıl. Şirket yıllık 245 milyar doların üzerinde gelir elde etti, yıllık bazda %16 artış ve 109 milyar doların üzerinde işletme geliri, %24 artış. Şirket, bulut bilişimin geleceği ve kuantum bilişim ve bilim için gelişmiş yapay zeka gibi sürekli şirket büyümesi için dönüştürücü potansiyele sahip teknik ürünler ve destek çözümleri geliştirmeye odaklandığını kategorik olarak belirtti.

Büyük teknoloji şirketleri ellerinden gelenin en iyisini yaparken, kurumsal araştırmalar geride kalmıyor. Tartışmamızı bu çığır açan araştırmalardan biriyle açtık ve birkaçıyla daha bitireceğiz.

Kuantum hesaplamanın mevcut durumu hakkında bilgi edinmek için burayı tıklayın.

Kuantum Bilgisayar Araştırması Hakkında Daha Fazlası

Google Quantum AI ve işbirlikçileri, araştırmalarını Aralık 2024'te Nature dergisinde yayınladı. Yüzey Kod Eşiğinin Altında Kuantum Hata Düzeltmesi.²

Araştırma, pratik kuantum hesaplamasına giden temel bir yol olan kuantum hata düzeltme sorununu ele aldı. Birden fazla fiziksel kübiti mantıksal bir kübite birleştirerek, bu yaklaşım daha fazla kübit eklendikçe mantıksal hata oranını katlanarak bastırır.

Sonuç olarak araştırmacılar, en yeni nesil süperiletken işlemcileri olan Willow'da, gerçek zamanlı bir kod çözücüyle bütünleştirilmiş, bir uzaklık-7 kodu ve bir uzaklık-5 kodu olmak üzere iki eşik altı yüzey kod belleği sundular.

Sonuçlar önemliydi. Sistem gerçek zamanlı kod çözme sırasında eşik altı performansını korudu ve beş ila bir milyon döngüye kadar mesafelerde ortalama 63 mikrosaniyelik bir kod çözücü gecikmesi elde etti ve 1.1 mikrosaniyelik bir döngü süresi elde etti. Araştırmacılar, araştırmalarının ölçeklendirilirse cihaz performansının büyük ölçekli hata toleranslı kuantum algoritmalarının operasyonel gereksinimlerini karşılayabileceğini gösterdiğini iddia ettiler.

2022 yılında, hata düzeltmeye odaklanarak, IBM araştırmacıları brüt kod, donanım yükünün çok daha azıyla hatasız bir şekilde kuantum bilgilerini depolayabilen yeni bir kod türü. Bu, önemli ölçüde daha az yük ile hata düzeltmeye yol açabilir.

Nature'da yayınlanan bir makalede IBM, özellikle düşük kübit yükü, yüksek hata eşiği ve büyük kod mesafesine sahip hata toleranslı kuantum belleği aradı. Şirket, matematiksel analizinin hata toleranslı olma, kuantum belleğine sahip olma ve yüksek hata eşiği, büyük kod mesafesi ve düşük kübit yüküne sahip olma koşullarını karşılayan somut qLDPC kodu örnekleri bulduğunu iddia etti.

Şirket, kodlarının "İki Değişkenli Bisiklet (BB)" kodları adı verilen bir kod ailesine ait olduğunu iddia etti. Bu kodlar, yalnızca IBM'in gelecekteki araştırmalarını değil, aynı zamanda fiziksel kuantum sistemlerini nasıl tasarlayacağımızı da şekillendirecekti.

Toplamda, kuantum avantajına yaklaşmada istikrarlı ilerlemeyi gerçekleştirmek için yeterli alan var. Kuantum teknolojisine yapılan küresel kamu yatırımları 42'te 2023 milyar ABD dolarına ulaştı ve Çin, 15.3 milyar ABD doları tutarındaki duyurulan hükümet yatırımıyla grafiklere öncülük etti.

Bunu Almanya, Birleşik Krallık, Amerika Birleşik Devletleri ve Güney Kore ve diğerleri izledi. Teknolojik olarak gelişmiş ekonomilerin Kuantum Bilgisayarı ve ilgili teknolojiye daha fazla yatırım yapması, kapsamının muazzam olduğunun bir kanıtıdır. Şu anda gördüğümüz şey buzdağının sadece görünen kısmı olabilir.

En iyi beş kuantum bilişim şirketinin listesine ulaşmak için buraya tıklayın.