Caltech’in ‘Ocelot’u Kuantum Bilişimde En Son Hata Azaltma İlerlemesi Oluyor

Geçen yıl, McKinsey & Company kapsamlı bir rapor yayınladı ve kuantum bilişimin gelecekteki yol haritasını çizdi. Rapora iddialı bir şekilde ‘Kuantum Bilişimin Yükselişi’ adı verildi. Ancak, bu iddialar temelsiz değildi.

McKinsey, Kuantum Bilişime giden yolculuğun teknolojik atılımların hızlanması, artan yatırım akışı ve girişim ekosisteminin çoğalmasıyla yönlendirildiğini söyledi.

Tüm bu faktörler, iş liderlerini sağlam kuantum bilişim stratejileri planlamaya yönlendirdi. Üçüncü yıllık Quantum Technology Monitor için güncellenen McKinsey analizi, kimya, yaşam bilimleri, finans ve mobilite olmak üzere dört sektörün kuantum bilişimden en erken etkiyi göreceğini ve 2035 yılına kadar 2 trilyon dolar kazanabileceklerini ortaya koyuyor.

Mckinsey’nin öngördüğü gibi Kuantum Bilişimin büyümesi, canlı bir yenilik ekosistemi gerektirir. Bu bağlamda en ileri atılımlardan birinde, Caltech kampüsündeki AWS Center for Quantum Computing on Caltech’s campus ¹ bilim insanları, kuantum bilgisayarlardaki hataları bastırmanın bir yolunu buldular—bu, geleceğe hazır kuantum makineleri inşa etmede en büyük engel olabilecek bir sorundur. 

‘Problem’ Ne İdi?

Genel amaçlı bir kuantum bilgisayarını, sadece dar alanlardaki fizik araştırmalarının ötesine geçecek şekilde inşa etmek, onun doğal gürültüye duyarlılığı nedeniyle bir zorluktur. Araştırmacılar, titreşimler, ısı, cep telefonları ve Wi‑Fi ağlarından gelen elektromanyetik parazitler, hatta kozmik ışınlar ve uzaydan gelen radyasyonun tümünün kuantum bitlerini (qubit) kuantum durumlarından çıkarıp klasik bilgisayarlara göre çok daha fazla hata üretmesine neden olabildiğini bulmuşlardır.

Daha bilimsel bir hassasiyetle açıklamak gerekirse, ‘Hardware-Efficient Quantum Error Correction Via Concatenated Bosonic Qubits’ başlıklı araştırma, kuantum hata düzeltmesi içerecek kuantum bilgisayarlar inşa etmeyi hedefliyor. Bu, mantıksal bir qubit’in birçok gürültülü fiziksel qubit içinde yedekli olarak kodlanmasını sağlayacak.

Ocelot: Çözüm

Daha basit bir ifadeyle, AWS ve Caltech’ten bilim insanları ekibi, bir kutu türü olan cat qubit kullanarak hataları bastıran yeni bir kuantum çip mimarisi gösterdi.

Cat Qubit’lar yeni değildir; ilk kez 2001’de önerilmişlerdir. O zamandan beri araştırmacılar onları sürekli geliştirmiş ve iyileştirmiştir. Ekip için atılım, kuantum hatalarını verimli bir şekilde azaltmak üzere tasarlanmış ilk ölçeklenebilir cat qubit çipinin yaratılmasıyla geldi. Çip, benekli yaban kedisi Ocelot’tan adını alırken aynı zamanda cat qubit’ların temelini oluşturan iç “osilatör” teknolojisine de atıfta bulunur.

Araştırmacılara göre, hata oranları bugünkü seviyelerinin bir milyar kat daha iyi olmalı. Ancak o zaman kuantum bilgisayarlar başarılı denilebilir. Yeni buluş, hedefe daha hızlı ulaşmamıza yardımcı olacak:

Oskar Painter (PhD’01)’e göre, John G Braun, Caltech’te uygulamalı fizik ve fizik profesörü ve AWS’de kuantum donanımının başıdır:

“Hata oranları her iki yılda bir yaklaşık iki kat azalmaktadır. Bu hızla, ihtiyacımız olan noktaya ulaşmamız 70 yıl sürecektir. Bunun yerine, bizi daha hızlı oraya götürebilecek yeni bir çip mimarisi geliştiriyoruz. Bununla birlikte, bu erken bir yapı taşıdır. hâlâ yapacak çok işimiz var.”

Araştırmacılar, mevcut qubit teknolojilerinin dezavantajlarını vurgularken, istenen hata koruma seviyesini sağlamak için binlerce ek qubit’e ihtiyaç duyabileceklerini, bu durumun bir gazete kuruluşunun makalelerinin doğruluğunu kontrol etmek için dev bir doğrulayıcı ekibi istiyor olmasıyla benzer olduğunu söylüyorlar; bu da maliyet açısından aşırı ve yönetilmesi zor bir sürece yol açıyor.

Fernando Brandão, Caltech’te Teorik Fizik Bren Profesörü ve AWS’de uygulamalı bilimler direktörü, bu sorunu kabul ediyor. Şöyle diyor:

“Bu yüzden, aşırı yükü azaltacak yeni hata düzeltme yaklaşımları deniyoruz.”

Ocelot’un Temelindeki Osilatör Teknolojisi

Ekip, mikrodalga osilatörlerinden oluşan süperiletken devrelerle yapılan bir qubit türü kullanıyor; burada 1 ve 0 durumları—qubit’i temsil eden—iki ayrı büyük ölçekli osilasyon genliği olarak tanımlanıyor. Bu yaklaşım, qubit durumlarını kararlı ve bit‑flip hatalarına karşı dayanıklı hâle getirmeyi amaçlıyor.

Bit‑flip hataları çözüldükten sonra, düzeltilmesi gereken diğer hata faz‑flip hatasıdır. Faz hatalarını tespit etmek için Ocelot çipi dört yardımcı qubit kullanır.

Ekibin basit tekrar kodu, faz‑flip hatalarını yakalamada etkilidir ve kod üç cat qubit’ten beş cat qubit’e yükseldikçe iyileşir.

Araştırmanın İleri Yolu

Şu anda gösterim, kavram kanıtı aşamasındadır. Ancak, süreçte yer alan araştırmacılar, Painter gibi, Ocelot’un gösterdiği performandan heyecan duyuyorlar. Şöyle diyor:

“Bu çok zor bir sorun ve temel araştırmalara yatırım yapmaya devam etmemiz gerekirken, akademide yapılan önemli çalışmalara bağlı kalmalı ve onlardan öğrenmeliyiz.”

Painter’ın ima ettiği gibi, bu iyileştirmeler kurumsal destekçilere ihtiyaç duyuyor. Ölçeklendirmek için yatırımlar gereklidir. Aşağıdaki bölümlerde, Kuantum Bilişim alanında önemli çalışmalar yapan birkaç şirketten bahsedeceğiz.

1. IBM

IBM, küresel ölçekte saygı gören teknoloji devi, dünyaya kuantum bilişimi pratik hâle getirme konusunda kararlılığını sürdürüyor. Qiskit aracılığıyla dünyanın en büyük kuantum bilişim filosuna erişim sağlayan IBM Quantum adlı özel bir bölümü işletiyor; bu platform, fayda için bütünsel bir programlama modeli oluşturmak üzere yazılım araçları ve hizmetler sunar.

Örneğin IBM’in QuantumSafe’i, kuantum geleceği için bir işletmeyi güvence altına alır ve 127‑qubit sistemlerini ücretsiz sunar. Ayrıca platform, sistemlere, dokümantasyona ve öğrenme kaynaklarına tek bir yerden erişim sağlar.

Şirket, kuantum bilişimi sorumlu hâle getirmeye kararlıdır. Bu bağlamdaki misyon beyanı, “dünyanın daha iyi çalışmasını sağlayacak katalizör olmak” şeklindedir ve geliştirmelerimizin bu misyonla uyumlu olmasını sağlamak için Responsible Quantum Initiative adlı bir girişim yürütmektedir.

IBM’ye göre, Sorumlu Kuantum Bilişim, etkilerinin farkında olan bir kuantum bilişimdir. Şirket, kuantum teknolojisini geliştirmek ve dağıtmak için beş Sorumlu Kuantum İlkesi oluşturmuş ve ekip bu ilkeleri dahili olarak takip etmektedir. Bu ilkeler şunlardır:

• Pozitif bir toplumsal etki yaratmak.
• Kullanım senaryolarını öngörerek keşfetmek.
• IBM’in ürünlerini doğru bir şekilde tanıtmak.
• Tutarlı, ilkesel kararlar almak.
• Çeşitli ve kapsayıcı bir kuantum topluluğu oluşturmak.

IBM Quantum™ Yol Haritası boyunca istikrarlı bir ilerleme ile şirket, kuantum platformunu kurumsal düzeyde bulut hizmetleri sunacak şekilde yükseltiyor.

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

Şirket, kullanıcıların geleneksel olarak barındırdığı dokümantasyon ve öğrenme kaynaklarına erişimini sürdürmelerini sağlayacak. Ancak yükseltme, performans artışı ve güçlü özelliklerle değeri artıracak.

Belirli özellikler arasında, yükseltme geliştirilmiş veri gizliliği ve güvenliği, sadeleştirilmiş bildirim deneyimi, daha iyi platform navigasyonu, İngilizce dışındaki dilleri konuşan kullanıcılar için çoklu dil seçenekleri vb. yer alacak.

Daha yüksek kamu erişimi seviyeleri için IBM, bir Kuantum Ağı inşa etti. Ağ, işletmelerin, üniversitelerin, laboratuvarların ve sektör liderlerinin kuantum faydasını ilerletme yolculuklarını destekliyor. Üyeler, araştırmayı hızlandırmak ve iş birliğini teşvik etmek için öğrenme kaynakları, uzmanlar ve etkinliklere erişim kazanıyor.

En son mali yıl için, IBM, %1 artışla 62,8 milyar dolar gelir kaydetti, sabit döviz cinsinden %3 artış gösterdi.

Sonuçları konuşurken, IBM başkanı, başkanı ve CEO’su Arvind Krishna şöyle dedi:

“Üç yıl önce, daha hızlı büyüyen, daha karlı bir IBM vizyonu ortaya koyduk. IBM ekibinin taahhütlerimizi karşılamak ya da aşmak için yaptığı çalışmalardan gurur duyuyorum. Odaklı stratejimiz, geliştirilmiş portföyümüz ve yenilik kültürümüzle 2025 ve sonrasında iyi konumdayız ve bu yıl en az yüzde beş gelir artışı ve yaklaşık 13,5 milyar dolar serbest nakit akışı bekliyoruz.”

2. Microsoft

Kuantum bilişim alanında öncü çalışmalar yapan bir diğer büyük teknoloji devi Microsoft’ (MSFT ) tur. Vizyonu, bilimsel keşifleri hızlandıracak sektör lideri ileri teknolojiyle bilimsel keşifleri hızlandırmaktır.

Microsoft, aşağıdaki dört kuantum çözümüne sahiptir:

• Microsoft Quantum Compute Platform: Yeni nesil kuantum uygulamalarını mümkün kılan bir platform.
• Azure Quantum Elements: Bilimsel keşifleri hızlandırmak için özel olarak tasarlanmış bir çözüm.
• Quantum Hardware: Ölçeklenebilir bir kuantum süper bilgisayarın kilidini açmayı hedefleyen çözüm.
• Quantum Networking: Kuantum ağıyla dağıtık kuantum bilişimi mümkün kılan bir çözüm.

Bu çözümlere kullanıcı perspektifinden baktığımızda, farklı çözümler farklı hizmetler sunar. Örneğin, Microsoft Quantum Compute platformu aracılığıyla, en son kuantum donanımına, güvenilir mantıksal qubit’lere, gelişmiş AI modellerine ve bilimsel keşifleri hızlandırmak için HPC simülasyonlarına erişim sağlamak mümkündür.

Azure Quantum Elements çözümü, Yüksek Performanslı Hesaplama, Yapay Zeka ve gelecekteki kuantum bilgisayar aracılığıyla kimya ve malzeme biliminde bilimsel keşifleri hızlandırmaya yardımcı olur.

Microsoft Quantum Hardware aracılığıyla, şirket iklim değişikliğini tersine çevirmek ve gıda güvenliğini artırmak gibi sorunları ele alabilecek bir kuantum süper bilgisayar tasarlıyor.

Son olarak, Microsoft Quantum Networking aracılığıyla, şirket kuantum kümelerini ölçeklendirmek ve yeni güvenlik odaklı uygulamaları mümkün kılmak için kuantum ağ yetenekleri sunmayı hedefliyor.

Microsoft Quantum Hardware’e daha derinlemesine baktığımızda, bunun gerçekten bir atılım olduğunu fark ederiz. Ölçüm‑sadece kuantum bilişimini öncülük ettiği için bir atılımdır; bu, kuantum bilgisini kontrol etmenin temelde daha basit bir yoludur.

Topolojik bir Çekirdek tarafından desteklenen Microsoft’un işlemcisi, bir milyon qubit’e ölçeklenmek üzere tasarlanmıştır; bu, enerji, tıp ve daha fazlasında insanlığın en zorlu sorunlarını ele almak için yeterli bir hesaplama gücüdür.

Bu bağlamda, Nature’da yayınlanan ve ‘Interferometric Single-Shot Parity Measurement In Inas–Al Hybrid Devices’ başlıklı Microsoft’un makalesine bakılabilir.

Genel olarak, Microsoft Quantum Hardware aşağıdaki temel sütunlar üzerine kuruludur:

• Scalability: Çözüm, faydalı kuantum bilişimi mümkün kılmak için tasarlanmıştır.
• Stability: Donanım seviyesinde hatalara karşı dayanıklıdır.
• Small: Donanım, tek bir çipte bir milyondan fazla qubit barındırabilecek kapasitededir.
• Fast: Her işlem bir mikrosaniyeden az sürer.
• Controllable: Voltaj darbeleri, hassas dijital kontrol sağlar.

Azure Quantum Elements’in temel özelliklerine baktığımızda, jeneratif kimyası, istenen özelliklere sahip yeni moleküllerin keşfi ve tasarımını büyük ölçüde basitleştirmek için jeneratif AI gücünden yararlanır. Hızlandırılmış DFT özelliği, binlerce atomlu moleküllerin özelliklerini saatler içinde belirleyerek diğer DFT kodlarına göre önemli bir hız artışı sağlar.

Ayrıca, açık ekosistem, Azure Quantum Elements için optimize edilmiş tanıdık yazılım çözümlerinin kullanılmasını kolaylaştırır.

Microsoft’un Azure Quantum Elements’i, birçok araştırma kurumu ve şirketin geleceğe yönelik çözümler sunmasına yardımcı oldu. Örneğin, Unilever, Microsoft süper bilgisayar ve AI hizmetlerinin gücünden yararlanarak Ar‑Ge dönüşümünü ve ürün yeniliklerini destekledi.

Microsoft ve Pacific Northwest National Laboratory, daha iyi piller için potansiyel taşıyan yeni bir malzeme belirlemek üzere iş birliği yaptı. Şirket, AspenTech ile kuantum kimya iş akışı tasarlamak için ortaklık kurdu. Johnson Matthey ile Azure Quantum üzerinden hidrojen yakıt hücresi yeniliklerini hızlandırmak için iş birliği yaptı.

Microsoft ve 1910 Genetics, ilaç endüstrisi için Ar‑Ge verimliliğini artırmak amacıyla ortaklık kurdu; aynı zamanda InQuanto ile kuantum hesaplamalı kimyayı hızlandırdı. Genel olarak, Microsoft, Kuantum Bilişiminin sağlam ve verimli bir gelecek için etkili bir şekilde kullanılabileceğini göstermede kilit bir rol oynadı.

2024, Microsoft’un kuruluşunun 50. yılıydı. Şirket, yıllık 245 milyar doların üzerinde gelir elde etti, yıllık %16 artış ve 109 milyar doların üzerinde işletme geliri, %24 artış sağladı. Şirket, bulut bilişimin geleceği, kuantum bilişim ve bilim için ileri AI gibi dönüşüm potansiyeline sahip teknik ürünler ve destek çözümleri geliştirmeye odaklandığını açıkça belirtti.

Büyük teknoloji şirketleri ellerinden geleni yaparken, kurumsal araştırmalar geride kalmıyor. Tartışmamıza böyle bir çığır açan araştırmayla başladık ve birkaç tane daha ile sonlandıracağız.

Kuantum bilişimin mevcut durumu hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın.

Kuantum Bilişim Araştırması Hakkında Daha Fazla

Google Quantum AI ve iş ortakları, Aralık 2024’te Nature dergisinde araştırmalarını yayınladı. Başlığı Surface code eşiğinin altında Kuantum Hata Düzeltmesi idi.²

Araştırma, kuantum hata düzeltmesi konusunu ele aldı; bu, pratik kuantum bilişime giden ana yoldur. Birden fazla fiziksel qubit’i mantıksal bir qubit’e birleştirerek, daha fazla qubit eklendikçe mantıksal hata oranını üssel olarak bastıran bir yaklaşım sunar.

Sonuç olarak, araştırmacılar en yeni nesil süperiletken işlemcileri Willow üzerinde iki alt‑eşik yüzey kodu belleği sundular; bir distance‑7 kod ve gerçek zamanlı çözücü ile entegre edilmiş bir distance‑5 kod.

Sonuçlar önemliydi. Sistem, gerçek zamanlı çözümlerde alt‑eşik performansını korudu ve beşten bir milyona kadar döngüde ortalama çözücü gecikmesi 63 mikro saniye, döngü süresi 1,1 mikro saniye elde etti. Araştırmacılar, ölçeklendirildiğinde cihaz performansının büyük ölçekli hatasız kuantum algoritmalarının operasyonel gereksinimlerini karşılayabileceğini iddia etti.

2022’de, hata düzeltmeye odaklanarak, IBM araştırmacıları gross kodunu inceledi; bu, kuantum bilgisini hata içermeyen bir şekilde, donanım aşırı yükünün bir kısmıyla depolayabilen yeni bir kod türüdür. Bu, hata düzeltmeyi önemli ölçüde daha az aşırı yükle gerçekleştirebilir.

Nature’da yayınlanan bir makalede, IBM özellikle düşük qubit aşırı yükü, yüksek hata eşiği ve büyük kod mesafesi olan hatasız kuantum bellek arayışına odaklandı. Şirket, matematiksel analizinin, hatasız, yüksek hata eşiği, büyük kod mesafesi ve düşük qubit aşırı yükü olan qLDPC kodlarının somut örneklerini bulduğunu iddia etti.

Şirket, kodunun “Bivariate Bicycle (BB)” kodları adlı bir kod ailesine ait olduğunu iddia etti. Bu kodlar, yalnızca IBM’in gelecekteki araştırmalarını şekillendirmekle kalmayıp, fiziksel kuantum sistemlerini nasıl tasarlayacağımızı da etkileyecek.

Genel olarak, kuantum avantajına yaklaşmada istikrarlı ilerleme kaydetmek için geniş bir kapsam vardır. Küresel kamu yatırımları 2023’te 42 milyar ABD doları seviyesine ulaştı; Çin, 15,3 milyar ABD dolarlık hükümet yatırımıyla listelerin başında yer aldı.

Bunu Almanya, Birleşik Krallık, Amerika Birleşik Devletleri ve Güney Kore gibi ülkeler izledi. Teknolojik açıdan gelişmiş ekonomilerin Kuantum Bilişim ve ilgili teknolojilere daha fazla yatırım yapması, kapsamının devasa olduğunun bir kanıtıdır. Şu anda gördüklerimiz buzdağının sadece görünen kısmı olabilir.

En iyi beş kuantum bilişim şirketinin listesi için buraya tıklayın.