Harmonik Osilatörleri Kullanarak Kuantum Bilgisayarını Gerçeğe Bir Adım Daha Yaklaştırmak

Kuantum bilgisayar yarışı birkaç yıldır yoğun bir şekilde devam ediyor; ilaç keşfi, malzeme bilimi, optimizasyon, makine öğrenimi ve kriptografi, bu gelişmelerin devrim yaratacağı birkaç alandan sadece birkaçı.

Ancak tüm ilerlemelere rağmen, gerçek dünya problemlerini çözen kuantum bilgisayarlar inşa etmek üç büyük zorluk tarafından engelleniyor: 

• Kırılgan kuantum durumları
• Kontrolü korurken ölçeklendirme
• Koheransı koruma

Şimdi, İsveç’teki Chalmers Teknoloji Üniversitesi’nden bir ekip, bu zorlukları ele alarak pratik kuantum bilgisayarların geliştirilmesini hızlandırmak için önemli bir adım attı. Onlar yeni bir yöntem yayınladı Nature dergisinde süperiletken devrelerde ayarlanabilir doğrusal olmayanlık kullanarak kuantum bilgisini manipüle etmek için yeni bir yöntem yayınladı. Bu, çok boyutlu kuantum durumları üzerinde karmaşık işlemlerin daha önce hiç olmadığı kadar hızlı ve daha doğru bir şekilde gerçekleştirilmesini sağlıyor.

Pratik Kuantum Bilgisayarlar İnşa Etmek

Kuantum bilgisayarının kalbinde, kuantum bilgisinin temel birimi olan kuantum biti ya da kübit bulunur. Klasik bitlerin 0 ya da 1 olmasının aksine, kübitler hem 0 hem 1 ve aradaki tüm değerleri alabilir. Kübitler ayrıca birbirleriyle dolaşıklık (entanglement) kurabilir, bu da kuantum bilgisayarların bazı hesaplamaları klasik bilgisayarlardan çok daha hızlı yapmasını sağlar. 

Ancak bu yeteneğe ulaşmak önemli bir zorluktu. En büyük sorunlardan biri kuantum durumlarının kırılganlığıdır. Kübitler çevrelerine karşı duyarlıdır ve decoherence (çözülme) yoluyla kuantum özelliklerini hızla kaybeder, bu da kuantum hesaplamasına hatalar ekler ve hesaplamaların derinliğini sınırlar.

Bir diğer büyük sorun ölçeklendirmedir. Bir kuantum işlemciye daha fazla kübit eklendikçe, aralarındaki etkileşimleri kontrol etmek ve kuantum kapılarını (gates) uygulamak zorlaşır. Bunun nedeni kontrol sistemlerinin ve kübitler arasındaki çapraz konuşmanın (cross-talk) daha karmaşık hale gelmesidir.

Ve koherans ile kontrol edilebilirlik arasında bir ödünleşme vardır. Kübitleri daha koherent yapan teknikler, örneğin hata düzeltme kodları, daha fazla kaynak gerektirir ve bazı işlemleri kısıtlar. Bireysel kübitler üzerinde daha fazla kontrol sağlayan sistemler, örneğin hapsolmuş iyonlar veya süperiletken devreler, daha gürültülüdür ve decoherence’a daha yatkındır.

“Bir kübit’i, kuantum mekanik olarak aynı anda hem açık hem de kapalı olabilen mavi bir lamba olarak düşünün. Buna karşılık, sürekli değişkenli kuantum sistemi, sonsuz bir gökkuşağı gibi, kesintisiz bir renk geçişi sunar. Bu, çok sayıda duruma erişim yeteneğini gösterir ve kübitin iki durumundan çok daha zengin olasılıklar sağlar.”

– Axel Eriksson, Chalmers Teknoloji Üniversitesi’nde kuantum teknolojisi araştırmacısı ve çalışmanın baş yazarı

Kuantum bilgisayarının mevcut durumu hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın. 

Süperiletken Devrelerde Ayarlanabilir Doğrusal Olmayanlıklar

Chalmers Üniversitesi ekibi, Dr. Axel M. Eriksson ve Simone Gasparinetti liderliğinde, bu sorunları süperiletken devreler kullanarak çözdü. Süperiletken Doğrusal Olmayan Asimetrik Endüktif Eleman (SNAIL) rezonatörü adlı özel bir bileşen geliştirdiler.

SNAIL’lar, güçlü ve ayarlanabilir doğrusal olmayanlığa sahip süperiletken devre elemanlarıdır. Josephson eklemlerine sahip bir süperiletken döngüdür; bu ince yalıtkan bariyerler, Cooper çiftlerinin (bağlı elektron çiftleri) geçişine izin verir. Eklemeler asimetrik düzenlenerek, doğrusal olmayan bir endüktans sağlayan bir devre elemanı elde edildi.

“Çok durumlu bir kuantum sistemi üzerinde karmaşık işlemleri daha önce hiç olmadığı kadar hızlı gerçekleştiren bir sistem oluşturduk.”

– Kıdemli yazar Dr. Simone Gasparinetti, Chalmers Üniversitesi’nde 202Q-lab lideri

Chalmers ekibinin yaptığı temel şey, bir SNAIL rezonatörünü kuantum bilgisini kodlamak için kullanılan bir bozonik mod olan süperiletken mikrodalga kafese yerleştirmekti. Bu hibrit sisteme mikrodalga darbeleri uygulayarak, SNAIL’deki doğrusal olmayanlığı etkinleştirip devre dışı bıraktılar ve tüm kuantum işlemlerini hızlı ve doğru bir şekilde gerçekleştirdiler.

Sürekli Değişkenli Kuantum Hesaplama

Chalmers ekibinin yaklaşımının benzersiz yönlerinden biri, kübit paradigmasının ötesine geçerek sürekli değişkenli (CV) kuantum durumlarını kullanmasıdır.

Bir CV kuantum sisteminde, bilgi bir harmonik osilatörün (örneğin mikrodalga kafes alanı) genlik ve faz kuadraturlarında kodlanır. Bu kuadraturlar, kübitlerdeki gibi sadece 0 ve 1 değil, sürekli bir değer aralığı alabilir.

Chalmers Üniversitesi’nde 202Q-lab lideri ve kıdemli yazar Dr. Simone Gasparinetti’ye göre:

“Çok durumlu bir kuantum sistemi üzerinde son derece karmaşık işlemleri benzeri görülmemiş bir hızda mümkün kılan bir sistem yarattık.”

CV yaklaşımı, ayrık değişkenli kuantum hesaplamaya göre avantajlar sunar. (i) Birincisi, tek bir CV modu birden fazla kübit değerinde bilgi kodlayabilir, bu da hata toleranslı kuantum hesaplama için daha az donanım anlamına gelir. (ii) İkincisi, CV durumlarının doğası daha iyi hata düzeltme kodlarına olanak tanır; bu kodlar gürültülü ve decoherence (çözülme) içeren kuantum hesaplama için gereklidir.

Bununla birlikte, CV kuantum hesaplamada büyük bir sorun evrensel kuantum hesaplama için gerekli olan doğrusal olmayan (non-Gaussian) işlemlerdir. Osilatör durumunun yer değiştirme ve sıkıştırma gibi Gaussian işlemleri lineer optik elemanlar veya mikrodalga devrelerle yapılabilir, ancak bu, klasik olarak simüle edilebildiği için kuantum hız artışı için yeterli değildir.

Doğrusal olmayan işlemler, çok daha zor üretilen ve kontrol edilen doğrusal olmayan etkileşimler gerektirir. CV modlarını doğrusal olmayan elemanlarla birleştirme girişimleri, kuantum bilgisini bozan ve işlem doğruluğunu azaltan Kerr etkisi nedeniyle başarısız olmuştur.

Chalmers ekibi, SNAIL rezonatörünün içindeki doğrusal olmayanlığı mühendislik yoluyla çözerek bu sorunu aşmıştır. SNAIL’i, istenmeyen Kerr doğrusal olmayanlığının bastırıldığı ve doğrusal olmayan (non-Gaussian) işlemler için gerekli olan üçüncü mertebe doğrusal olmayanlığın korunduğu sözde “Kerr-olmayan” bir noktada çalıştırıyorlar.

“Topluluğumuz genellikle süperiletken elemanları kuantum osilatörlerinden uzak tutmaya çalıştı, çünkü kırılgan kuantum durumlarını karıştırmamak istiyordu. Bu çalışmada bu paradigmayı sorguladık. Osilatörün kalbine bir kontrol cihazı yerleştirerek, birçok kuantum durumunu karıştırmadan aynı zamanda onları kontrol edip manipüle edebildik. Sonuç olarak, çok yüksek hızda gerçekleştirilen yeni bir kapı (gate) operasyonları seti gösterdik.”

– Simone Gasparinetti

Evrensel Bir Kapı Seti

Ne yapabildiklerini göstermek için, SNAIL-rezonatör platformlarında evrensel bir kapı seti oluşturdular. Bu set, yer değiştirme ve sıkıştırma gibi Gaussian kapıların yanı sıra doğrusal olmayan bir kübik faz kapısını da içeriyor.

Gaussian kapılar, SNAIL devresine belirli frekanslarda mikrodalga darbeleri uygulanarak oluşturuldu. Temel frekansta sürmek yer değiştirmeyi, temel frekansın iki katında sürmek ise sıkıştırmayı sağlar. Bu, CV kuantum bilgi işleminde temel bloklar olan koherent ve sıkıştırılmış durumları hazırlamak ve manipüle etmek içindir.

Kübik faz kapısı, “triskeçleme” etkileşimini (temel frekansın üç katında sürmek) daha düşük frekanslarda sürmelerle birleştirerek oluşturuldu. Bu, osilatör durumuna genliğin küpüyle orantılı bir doğrusal olmayan faz kayması uygular; bu yüzden “kübik faz” adı verilmiştir.

Kübik faz kapısı, evrensel CV kuantum hesaplama için gereklidir çünkü hata toleranslı kuantum hata düzeltmesi için kullanılan Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) gibi yüksek derecede klasik olmayan durumları üretir. Kübik faz kapısı, Gaussian kapılarla birlikte, “kübik faz durumu” adı verilen belirli bir doğrusal olmayan durumu oluşturur.

Chalmers ekibi tarafından yapılan kapılar, onlarca nanosaniyeye kadar kısa darbelerle gerçekleştirildi. Bu, dağıtıcı kübit-osilatör bağlamalarıyla önceki uygulamalardan 10-100 kat daha hızlıdır. Bunun nedeni SNAIL rezonatöründeki güçlü doğrusal olmayanlıktır.

Deterministik Kübik Faz Durumu Hazırlığı

Başka bir örnek, Chalmers ekibinin evrensel kapı setini kullanarak yüksek derecede klasik olmayan bir kuantum durumu olan kübik faz durumunu üretmesidir. Kübik faz durumları, kuantum hata düzeltme, kuantum metrologi ve CV ölçüm temelli kuantum hesaplama için gereklidir.

Kübik faz durumu hazırlığı, SNAIL rezonatörünün temel durumu (vakum) üzerine kapılar uygulanarak gerçekleştirildi. İlk olarak, 20 ns süren bir sıkıştırma kapısı uygulanarak sıkıştırılmış bir vakum durumu oluşturuldu. Ardından, bu sıkıştırılmış duruma 40 ns süren bir kübik faz kapısı uygulandı ve voilà, 0.11 kübiklik değerine sahip bir kübik faz durumu elde edildi.

Durum, kuantum durumunun faz-uzay dağılımını oluşturan Wigner tomografisiyle karakterize edildi. Wigner fonksiyonu güçlü bir şekilde negatifti; bu, klasik olmayan bir özelliktir ve hiçbir klasik osilatör durumunda görülmez.

Kübik faz durumunun hedef duruma göre sadakati %92 idi. Durumun kübikliğini sadece kübik faz kapısı süresini uzatarak artırabileceklerini gösterdiler. Bu, her kübiklik değeri için kontrol dizisinin tamamen yeniden optimize edilmesini gerektiren önceki durum hazırlama yöntemlerinden çok daha iyidir.

İyileştirme ve Gelecek Çalışmalar İçin Alan

Chalmers ekibinin yaptığı şey zaten takdire şayan olsa da, hâlâ yapılacak çok şey var:

SNAIL Rezonatörü

Kuantum işlemlerinin bir sınırlaması, SNAIL rezonatörünün koherans süresidir. Şu anda birkaç mikrosaniyelik koherans süreleri yeterli, ancak daha uzun koherans süreleri daha karmaşık ve daha derin kuantum devrelerine izin verecektir. Koheransı iyileştirmenin yolları arasında SNAIL devre parametrelerini akım gürültüsünü azaltacak şekilde optimize etmek ve mikrodalga ortamını korumak ve filtrelemek yer alır.

Bu şunları içerir:

• SNAIL rezonatörünün koherans süresi (şu anda birkaç mikrosaniye yeterli, ancak daha uzun süreler daha karmaşık devreler için olanak tanır)
• Akım gürültüsünü azaltmak için SNAIL devre parametrelerini optimize etmek
• Mikrodalga ortamını korumak ve filtrelemek

Kuantum yayılıcıları ve kızılötesi lazerlerin bir sonraki nesil kuantum bilgisayarlarını inşa etmemize nasıl yardımcı olabileceğini öğrenmek için buraya tıklayın.

Ölçeklenebilirlik

İyileştirilebilecek bir diğer alan ölçeklenebilirliktir. Deney tek bir SNAIL ile yapıldı, ancak büyük ölçekli bir kuantum bilgisayarının birden fazla SNAIL’e ihtiyacı vardır. Ölçeklendirmek için, her biri kendi mikrodalga kafesine bağlanan birden fazla SNAIL kullanılabilir. Bu düzenleme, kafesler arasındaki bağlamayı tasarlayarak çoklu kübit kapıları ve dolaşıklık durumları oluşturmayı sağlar. Ancak bu, SNAIL’lerin üretimi ve ayarlanması üzerinde homojen ve tekrarlanabilir bir kontrol gerektirir.

• Ölçeklenebilirlik (şu anda bir SNAIL, ancak büyük ölçekli bir kuantum bilgisayarının birden fazla SNAIL’e ihtiyacı var)
• Her biri kendi mikrodalga kafesine sahip bir SNAIL dizisi
• Kafesler arasındaki bağlamayı kullanarak dizi boyunca çoklu kübit kapıları ve dolaşıklık durumları
• SNAIL’lerin üretimi ve ayarlanması üzerinde homojen ve tekrarlanabilir kontrol

CV modlarının sayısını artırmanın yanı sıra, her moddaki foton sayısını da artırmamız gerekiyor. SNAIL rezonatörünün doğrusal olmayanlığı, daha yüksek foton sayılarında ideal davranışından sapar ve bu da hesaplamalı Hilbert uzayının boyutunu sınırlar.

Bunu düzeltmenin bir yolu, her SNAIL’in doğrusal olmayanlığının daha yüksek derecelerde birbirini iptal edecek, ancak düşük dereceli etkileşimleri koruyacak şekilde tasarlandığı çoklu SNAIL tasarımı kullanmaktır.

Diğer olası gelişmeler şunları içerir:

• Daha fazla CV modu
• Her modda daha fazla foton
• SNAIL rezonatöründeki doğrusal olmayanlık, daha yüksek foton sayılarında ideal davranıştan sapmasına neden olur
• Hesaplamalı Hilbert uzayının boyutunu sınırlar
• Çoklu SNAIL tasarımı: her SNAIL’in doğrusal olmayanlığı, daha yüksek derecelerde birbirini iptal ederken düşük dereceli etkileşimleri korur

İleriye baktığımızda, Chalmers ekibi SNAIL-rezonatör platformlarını diğer kuantum bilgisayar mimarileriyle entegre ederek hibrit sistemler oluşturmak istiyor. Örneğin, SNAIL aracılı etkileşimler süperiletken kübitleri ve CV modlarını dolaşıklık hâline getirerek karmaşık çoklu kübit durumları oluşturabilir. Bu çalışmadaki hızlı ve verimli CV kapıları, kodlanmış kübitlerde kuantum hata düzeltme için kullanılabilir ve bu da daha sağlam ve ölçeklenebilir kuantum işlemciler sağlayacaktır.

Gelecek için heyecan verici bir olasılık, SNAIL-rezonatör platformunu optik kuantum sistemleriyle entegre etmektir. Süperiletken devreler, mikrodalga frekanslarında ve kriyojenik sıcaklıklarda çalışan kuantum bilgisayarları için uygundur. Buna karşılık, oda sıcaklığında çalışan optik kuantum sistemleri uzun mesafeli kuantum iletişimi için idealdir. Bir kuantum frekans dönüştürücü geliştirerek, her iki dünyanın en iyisini birleştirip ölçeklenebilir ve ağ tabanlı bir kuantum bilgisayar oluşturabiliriz.

Sonuç

Chalmers ekibinin başardığı şey, pratik kuantum bilgisayarlar için büyük bir ilerlemedir. Süperiletken devrelerde ayarlanabilir doğrusal olmayanlık kullanarak, çok boyutlu kuantum durumları üzerinde hızlı ve doğru bir şekilde karmaşık işlemler gerçekleştirebilen donanım açısından verimli ve kontrol edilebilir bir kuantum bilgisayar geliştirdiler.

Bu, CV-NISQ (Sürekli Değişken NISQ) hesaplamada yeni bir paradigma temsil ediyor. SNAIL rezonatörleri, kuantum kimyası, optimizasyon ve makine öğreniminde zor problemleri çözebilir. Bu teknoloji olgunlaştıkça ve ölçeklendikçe, klasik bilgisayarlarla mümkün olmayan uygulamaları açığa çıkaracaktır.

Bununla birlikte, büyük ölçekli, hata toleranslı kuantum bilgisayarlar inşa etmek hâlâ önemli zorluklar içeriyor; bunlar arasında süperiletken devrelerin koherans süresi, kübit ve CV modu sayısı ve kuantum bilgisayar platformları arasındaki arayüzler yer alıyor.

Bu zorluklara rağmen, uygulamalı bir bilim olarak kuantum bilgisayarları uzun bir yol kat etti ve Chalmers ekibi bu engelleri aşmada önemli bir rol oynadı. Kuantum bilgisayarları araç kutusuna yeni araçlar eklediler ve kuantum mekaniğini kullanmanın yeni yollarını gösterdiler. Şimdi, erişilebilir kuantum bilgisayarına bir adım daha yakınız.

Teori ve deneyler daha hızlı ilerledikçe, kuantum bilgisayarının geleceği hiç bu kadar parlak görünmemişti. Kuantum bilgisayarları, ilaç keşfi, malzeme tasarımı, kriptografi ve yapay zeka gibi alanlarda geniş bir yelpazede hesaplama görevleri için üstel hız artışı sağlayacak. AI gibi teknolojilerdeki ilerlemelerle birleştiğinde, bu gelişmeler dünyanın tam olarak hayal edilemeyen dönüşümcü değişimlerin eşiğinde olduğunu bize temin ediyor.

En iyi beş kuantum bilgisayar şirketinin listesi için buraya tıklayın.