Caltech’in ‘Ocelot’ Son Hata Ezme İlerlemesini Gerçekleştirdiği Kuantum Bilgisayarında

Geçen yıl, McKinsey & Company kuantum bilgisayarının gelecekteki yol haritasını ortaya koyan kapsamlı bir rapor yayınladı. Rapor, iddialı bir şekilde ‘Kuantum Bilgisayarının Yükselişi’ olarak adlandırıldı. Ancak bu iddialar temelsiz değildi.

McKinsey, kuantum bilgisayarına doğru yolculuğun, teknolojik atılımların hızlanması, yatırımların artması ve start-up ekosisteminin yaygınlaşmasıyla sürüklenmekte olduğunu söyledi.

Tüm bu faktörler, iş liderlerini güçlü kuantum bilgisayarı stratejileri planlamalarına yol açtı. McKinsey’in üçüncü yıllık Kuantum Teknoloji İzleme analizinin güncellenmesi, kimyasallar, yaşam bilimleri, finans ve mobilite gibi dört sektörün kuantum bilgisayarından en erken etkiye sahip olabileceğini ve 2035 yılına kadar 2 trilyon dolar kazanabileceğini ortaya koydu.

Kuantum Bilgisayarının McKinsey’in hayal ettiği şekilde büyümesi için, bir创新 ekosisteminin var olması gerekecektir. Bu bağlamda yapılan en son ve en önemli atılımlardan biri, AWS Kuantum Bilgisayar Merkezi’nde¹ Caltech kampüsünde bulunan bilim adamları, kuantum bilgisayarlarında hataları bastırma yolunu bulmuşlardır – bu, gelecekte hazır kuantum makineleri inşa etmede en büyük engel olabilecek bir sorun.

Sorun Nedir?

Fizikteki dar alanları incelemekten öteye geçen genel amaçlı bir kuantum bilgisayarını inşa etmek, gürültüye karşı doğal duyarlılığı nedeniyle bir zorluk olarak kalıyor. Araştırmacılar, titreşimlerin, ısıyı, cep telefonları ve Wi-Fi ağlarından gelen elektromanyetik parazitlerin, hatta kozmik ışınların ve uzaydan gelen radyasyonun tümünün kuantum bitlerini – kuantum bitlerini – kuantum durumlarından çıkarmaya ve klasik bilgisayarlardan çok daha fazla hata oluşturmaya neden olabileceğini bulmuşlardır.

Daha bilimsel bir kesinlikle açıklamak gerekirse, “Donanım-Efficient Kuantum Hata Düzeltme Via Concatenated Bosonic Qubits” adlı araştırma, kuantum hata düzeltmesi içeren kuantum bilgisayarları inşa etmeye yöneliktir. Mantıksal bir kuantum biti, birçok gürültülü fiziksel kuantum bitinde tekrar tekrar kodlanacaktır.

Ocelot: Çözüm

Basitçe söylemek gerekirse, AWS ve Caltech’ten bilim adamları ekibi, bir kuantum biti türü olan kedi kuantum bitini kullanarak hataları bastırmak için yeni bir kuantum çip mimarisi gösterdi.

Kedi kuantum bitleri yeni değil; ilk olarak 2001 yılında önerildiler. O zamandan beri araştırmacılar onları sürekli olarak geliştirdiler ve rafine ettiler. Bilim adamları ekibinin başarısı, ilk ölçeklenebilir kedi kuantum bit çipinin yaratılmasıyla geldi; bu, kuantum hatalarını verimli bir şekilde azaltmaya tasarlandı. Çip, iç “osilatör” teknolojisine atıfta bulunarak leopar anlamına gelen “Ocelot” olarak adlandırıldı.

Araştırmacılara göre, hata oranlarının bugün olduğundan milyarlarca kez daha iyi olması gerekiyor. Sadece o zaman kuantum bilgisayarları başarılı olarak adlandırılabilir. Yeni buluş, bizi hedefe daha hızlı ulaştıracaktır:

Caltech’te uygulamalı fizik ve fizik profesörü ve AWS’de kuantum donanım başkanı olan Oskar Painter (PhD’ 01) şunları söyledi:

“Hata oranları yaklaşık her iki yılda iki katına düşmüştür. Bu oranla, hedefe ulaşmamız 70 yıl sürecektir. Bunun yerine, bizi daha hızlı ulaştıracak yeni bir çip mimarisi geliştiriyoruz. Ancak bu, erken bir yapı taşı. Henüz çok işimiz var.”

Araştırmacılar, mevcut kuantum biti teknolojilerinin eksikliklerini vurgularken, arzu edilen düzeyde hata korumayı sağlamak için binlerce ek kuantum bitine ihtiyaç duyulabileceğini söylüyorlar; bu, bir gazetenin makalelerinin doğruluğunu doğrulamak için küçük bir ekibe sahip olmak yerine devasa bir fact-checker binasına sahip olmasına benzer. Bu, maliyetlerin aşırı ve hantallı olması nedeniyle süreci bozar.

Caltech’te Teorik Fizik Profesörü ve AWS’de Uygulamalı Bilim Direktörü Fernando Brandão, bu sorunu kabul ediyor. Şöyle diyor:

“Bu nedenle, hata düzeltmesi için yeni yaklaşımlar deniyoruz; bunlar, aşırı yükü azaltacaktır.”

Ocelot’un Temelinde Olan Osilasyon Teknolojisi

Ekibin kullandığı kuantum biti türü, süperiletken devrelerden oluşan mikrodalga osilatörlerden oluşur; burada 1 ve 0 durumları – kuantum bitini temsil eden – iki ayrı büyük ölçekli osilasyon genliği olarak tanımlanır. Bu yaklaşım, kuantum biti durumlarını stabilize etmeye ve bit-flip hatalarına karşı duyarlı olmaktan kaçınmaya yöneliktir.

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

Ekibin basit tekrarlı kodu, faz-flip hatalarını yakalamada etkili olup, kod üç kedi kuantum bitinden beş kedi kuantum bitine çıkarmayla birlikte gelişir.

Araştırmanın Geleceği

Şu anda, gösterim, bir kavram kanıtı aşamasındadır. Ancak süreçte yer alan araştırmacılar, gibi Painter, Ocelot’un gösterdiği performansı heyecan verici buluyor. Şöyle diyor:

“Bu, ele alınması çok zor bir sorun ve temel araştırmaya yatırım yapmaya devam ederken, akademide yapılan önemli çalışmalardan öğrenmeye ve bunlarla bağlantılı kalacağız.”

Painter’ın ima ettiği gibi, bu iyileştirmeler kurumsal hamilere ihtiyaç duyuyor. Büyütmek için yatırımlar gerekiyor.
Aşağıdaki bölümlerde, bu alanda önemli çalışmalar yapan birkaç şirketten bahsedeceğiz.

1. IBM (IBM )

IBM, küresel olarak saygıdeğer bir teknoloji devi, kuantum bilgisayarını dünyaya pratik hale getirmeye devam ediyor. IBM Quantum adında ayrı bir bölümü var; bu, Qiskit aracılığıyla dünyanın en büyük kuantum bilgisayarı filosuna erişim sunuyor – Qiskit, birleşik bir programlama modeli oluşturmak için yazılım araçları ve hizmetleri sunan bir platform.

IBM’in QuantumSafe, kuantum geleceği için bir girişimi güvence altına alıyor; 127 kuantum bitli sistemleri ücretsiz olarak sunuyor. Ayrıca, platform, sistemlere, belgelere ve öğrenme kaynaklarına tek bir yerde erişim sağlıyor.

Şirket, kuantum bilgisayarını sorumlu bir şekilde kullanmaya kendini adamış durumda. Bu konuda şirketin misyon beyanı, “dünyayı daha iyi çalışır hale getirmek için katalizör olmak” ve Responsible Quantum Initiative’yi bu misyonla uyumlu olarak geliştirmek.

IBM’e göre, Sorumlu Kuantum Bilgisayar, etkilerini bilen kuantum bilgisayarlarıdır. Şirket, içlerinde uyumlu olarak kararlar almak, IBM ürünlerini doğru bir şekilde tanıtmak, olumlu toplumsal etki yaratmak ve çeşitli ve kapsayıcı bir kuantum topluluğu oluşturmak gibi beş Sorumlu Kuantum İlkesi geliştirdi:

• Olumlu toplumsal etki yaratmak.
• Öngörü ile kullanım örneklerini keşfetmek.
• IBM ürünlerini doğru bir şekilde tanıtmak.
• Ürünlerin geliştirilmesinde ve dağıtılmasında tutarlı ve ilkeli kararlar almak.
• Çeşitli ve kapsayıcı bir kuantum topluluğu oluşturmak.

IBM Quantum™ Roadmap’teki sürekli ilerlemeyle, şirket kuantum platformunu geliştirerek şirketlere hazır bulut hizmetleri sunmaya odaklanıyor.

Şirket, altyapıyı kurumsal düzeyde yükseltiyor. Ancak miras kullanıcıları için sorunsuz bir geçiş sağlamak amacıyla, yeni IBM Quantum Platform’ın son sürümünün mevcut sürüme çok benzer olacağını taahhüt ediyor.

Şirket, kullanıcıların geleneksel olarak barındırdığı belgelerin ve öğrenme kaynaklarının erişimine devam edebileceklerini garanti ediyor. Ancak, yükseltme, performansı artırmaya ve güçlü özellikler eklemeye yardımcı olacak.

Belirli özellikler arasında, gelişmiş veri gizliliği ve güvenliği, akışkan bir bildirim deneyimi, platformda daha iyi gezinme ve kullanıcıların İngilizce dışında dillerde konuşmaları için çok dilli seçenekler yer alıyor.

Halka daha fazla erişilebilirlik için, IBM bir Kuantum Ağı oluşturdu. Ağ, işletmeleri, üniversiteleri, laboratuvarları ve endüstri liderlerini kuantum faydasını ilerletme yolculuklarında destekliyor. Üyeler, öğrenme kaynaklarına, uzmanlara ve olaylara erişim kazanıyor; bu, araştırmayı hızlandırıyor ve işbirliğini teşvik ediyor.

Son mali yıl için IBM, 62.8 milyar dolar gelir kaydetti; bu, %1’lik bir artış ve sabit para birimi cinsinden %3’lük bir artıştır.

Sonuçlar hakkında konuşurken, IBM Yönetim Kurulu Başkanı, Başkan ve CEO’su Arvind Krishna şunları söyledi:

“Üç yıl önce, daha hızlı büyüyen, daha karlı bir IBM için bir vizyon ortaya koyduk. IBM ekibinin taahhütlerini karşılamak veya aşmak için yaptığı çalışmaları gurur verici buluyorum. Odaklanmış stratejimiz, geliştirilmiş portföyümüz ve inovasyon kültürümüzle, 2025 yılı ve ötesi için iyi konumlandık ve bu yıl en az %5’lik gelir büyümesi ve yaklaşık 13.5 milyar dolarlık serbest nakit akışı bekliyoruz.”

2. Microsoft (MSFT )

Kuantum bilgisayarında öncü çalışmalar yapan bir diğer önde gelen teknoloji devi Microsoft’tur. Microsoft’un vizyonu, endüstri lideri gelişmiş teknolojiyi kullanarak bilimsel keşfi hızlandırmak.

Microsoft’un dört kuantum çözümü vardır:

• Microsoft Kuantum Hesaplama Platformu: Yeni bir kuantum uygulamaları neslini mümkün kılan bir platform.
• Azure Kuantum Öğeleri: Bilimsel keşfi hızlandırmak için özel olarak tasarlanmış bir çözüm.
• Kuantum Donanımı: Ölçeklenebilir bir kuantum süperbilgisayarını kilitlemeye yönelik bir çözüm.
• Kuantum Ağı: Dağıtılmış kuantum bilgisayarını mümkün kılan ve yeni güvenlik uygulamalarını sağlayan bir çözüm.

Çözümlerini kullanıcıların perspektifinden ele alırsak, farklı çözümler farklı hizmetler sunar. Örneğin, Microsoft Kuantum Hesaplama Platformu aracılığıyla, devlet-sanayisi kuantum donanımına, güvenilir mantıksal kuantum bitlerine, gelişmiş AI modellerine ve HPC simülasyonlarına erişim mümkündür; bu, bilimsel keşifleri hızlandırır.

Azure Kuantum Öğeleri çözümü, kimya ve malzeme bilimi için Yüksek Performanslı Hesaplama, Yapay Zeka ve gelecekteki bir kuantum bilgisayarını kullanarak bilimsel keşfi hızlandırır.

Microsoft Kuantum Donanımı aracılığıyla, şirket bir kuantum süperbilgisayarını mühendislik yapıyor; bu, iklim değişikliğini tersine çevirmek ve gıda güvenliğini iyileştirmek gibi sorunlarla başa çıkmaya olanak tanıyacak.

Son olarak, Microsoft Kuantum Ağı, kuantum kümelerini ölçeklemek ve yeni güvenlik uygulamalarını mümkün kılmak için kuantum ağlama yetenekleri sunuyor.

Microsoft Kuantum Donanımı’nın daha derinlerine inersek, gerçekten bir atılımdır. Bu, ölçeklenebilirlik, kararlılık, küçük boyut ve hız gibi temel ilkeler üzerine kuruludur.

Microsoft’un Topolojik Çekirdek tarafından sağlanan işlemcisi, milyonlarca kuantum bitine ölçeklenebilir – bu, enerji, tıp ve ötesinde insanlığın en zorlu sorunlarını ele almak için yeterli hesaplama gücüdür.

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

Genel olarak, Microsoft Kuantum Donanımı aşağıdaki temel ilkeler üzerine kuruludur:

• Ölçeklenebilirlik: Kullanışlı kuantum bilgisayarını ermögilmek için tasarlandı.
• Kararlılık: Donanımda hatalara karşı dirençlidir.
• Küçük: Tek bir çipe milyonlarca kuantum biti sığdırabilir.
• Hızlı: Her işlem için 1 mikrosaniyeden az sürer.
• Kontrol edilebilir: Gerçek zamanlı voltaj darbeleri ile precisa dijital kontrol sağlar.

Azure Kuantum Öğeleri’nin ana özelliklerine bakıldığında, üretken kimya, generatif AI’nin gücünü kullanarak istenen özelliklere sahip yeni moleküllerin keşfini ve tasarımını büyük ölçüde basitleştirir. Hızlandırılmış DFT özelliği, binlerce atom içeren moleküllerin özelliklerini saatler içinde belirler; bu, diğer DFT kodlarına göre önemli bir hız artışı sağlar.

Ayrıca, açık bir ekosistem, Azure Kuantum Öğeleri için optimize edilmiş tanıdık yazılım çözümlerinin kullanılmasını sağlar.

Microsoft’un Azure Kuantum Öğeleri, çeşitli araştırma kurumları ve şirketlere gelecekteki çözümler sunmalarına yardımcı oldu. Örneğin, Unilever, araştırma ve geliştirme dönüşümünü ve ürün inovasyonunu desteklemek için Microsoft’un süper bilgisayar ve AI hizmetlerinin gücünden faydalandı.

Microsoft ve Pacific Northwest National Laboratory, daha iyi piller için potansiyel taşıyan yeni bir malzeme tanımlamak için işbirliği yaptı. Şirket, kuantum kimya iş akışını tasarlamak için AspenTech ile bir araya geldi. Microsoft, hidrojen yakıt hücreleri inovasyonunu hızlandırmak için Azure Quantum ile Johnson Matthey ile işbirliği yaptı.

Microsoft ve 1910 Genetics, ilaç endüstrisi için araştırma ve geliştirme verimliliğini hızlandırmak için birlikte çalıştı; ayrıca, kuantum hesaplamalı kimyayı hızlandırmak için InQuanto ile işbirliği yaptı. Microsoft, Kuantum Bilgisayarının gelecekte etkili ve verimli bir şekilde kullanılabileceğini göstermek için önemli bir rol oynadı.

2024, Microsoft’un şirket olarak 50. yılıydı. Şirket, 245 milyar doların üzerinde yıllık geliri elde etti; bu, %16’lik bir yıl içi artış ve %24’lük bir işletme geliri artışı anlamına geliyordu. Şirket, bulut bilgisayarının geleceği için dönüşümsel potansiyele sahip ürün ve destek çözümlerini kuluçkaya almakla ilgileniyor; bu, kuantum bilgisayarını ve bilim için gelişmiş AI’yi içeriyor.

Büyük teknoloji şirketleri en iyisini yaparken, kurumsal araştırma geri kalmıyor. Tartışmamızı bir böyle bir atılımla başlattık ve birkaç tane daha ile sonuçlandıracağız.

Kuantum bilgisayarının güncel durumunu öğrenmek için tıklayınız.

Daha Fazla Kuantum Bilgisayarı Araştırması

Google Quantum AI ve işbirlikçileri, Aralık 2024’te Nature’da bir araştırma yayınladı; bu, Yüzey Kodu Eşiğinin Altında Kuantum Hata Düzeltme başlığını taşıyordu.²

Araştırma, pratik kuantum bilgisayarına giden önemli bir yol olan kuantum hata düzeltme sorununu ele aldı. Fiziksel kuantum bitlerini bir mantıksal kuantum bitine birleştirmek, mantıksal hata oranını üssel olarak bastırmaya yönelik bir yaklaşımdır.

Sonuç olarak, araştırmacılar, en yeni nesil süperiletken işlemcilerinden biri olan Willow’da iki yüzey kodu belleği sundu; bunlar, bir mesafe-7 kodu ve bir mesafe-5 kodu, gerçek zamanlı bir kodlayıcı ile entegre edildi.

Sonuçlar önemliydi. Sistem, gerçek zamanlı olarak kodlama yapılırken eşiğin altında performansını korudu; bu, 63 mikrosaniyelik ortalama bir kodlayıcı gecikmesi ile beşe kadar mesafede bir milyona kadar döngüde başarıyla gerçekleştirildi; döngü zamanı 1.1 mikrosaniyeydi. Araştırmacılar, çalışmalarının, ölçeklendirildiğinde cihaz performansının büyük ölçekli hata toleranslı kuantum algoritmalarının operasyonel gereksinimlerini gerçekleştirebileceğini gösterdiğini iddia etti.

2022’de, hata düzeltmesini odak noktasına alan IBM araştırmacıları, gross kodu olarak bilinen bir kodu keşfettiler; bu, kuantum bilgilerini hata olmadan depolayabilen yeni bir tür koddu. Bu, donanım aşırı yükünü önemli ölçüde azaltarak hata düzeltmesine yol açabilir.

Nature’da yayımlanan bir makalede, IBM özellikle, düşük kuantum biti aşırı yükü, yüksek hata eşiği ve büyük bir kod mesafesi ile hata toleranslı kuantum belleği olan bir kodu aradı. Şirket, somut örneklerin bu koşulları karşıladığını iddia etti; bu, “Bivariate Bicycle (BB)” kodları ailesine aitlerdi. Bunlar, IBM’in gelecekteki araştırmalarını ve fiziksel kuantum sistemlerinin mimarisini şekillendirecekti.

Genel olarak, kuantum üstünlüğüne yaklaşmada sürekli ilerleme gerçekleştirmek için yeterli alan var. 2023’te, küresel kamu yatırımları kuantum teknolojisi için 42 milyar doları aştı; Çin, 15.3 milyar dolarlık hükümet yatırımıyla ilk sırada yer aldı.

Bu, Almanya, Birleşik Krallık, ABD ve Güney Kore gibi diğer ülkeleri izledi. Gelişmiş ekonomilerin Kuantum Bilgisayarına ve ilgili teknolojilere daha fazla yatırım yapması, onun kapsamının muazzam olduğunun kanıtı.

2025’in en iyi beş kuantum bilgisayarı şirketi listesi için tıklayınız.