Modern bilgisayarlarda, yüksek kaliteli üretim nedeniyle, bilgilerin işlenmesi ve depolanması sırasındaki hatalar nadir hale gelmiştir. Bununla birlikte, küçük hataların bile ciddi etkileri olabileceği kritik uygulamalar için, işlenen verilerin fazlalığına dayalı hata düzeltme mekanizmaları hala kullanılmaktadır.
Kuantum bilgisayarlar çok daha hassastır ve bu nedenle hata düzeltme mekanizmaları her zaman gereklidir. Aksi takdirde, hatalar sistemde kontrolsüz olarak yayılır ve bilgiler kaybolur. Kuantum mekaniğinin temel yasaları kuantum bilgisini kopyalamayı yasakladığından, mantıksal kuantum bilgisini birkaç fiziksel sistemin, örneğin birden fazla bireysel atomun dolaşmış bir durumuna dağıtarak fazlalık elde edilebilir.
Innsbruck Üniversitesi Deneysel Fizik Bölümü'nden Thomas Monz ve RWTH Aachen Üniversitesi'nden Markus Müller ve Almanya'daki Forschungszentrum Jülich liderliğindeki araştırma ekibi, ilk kez iki mantıksal kuantum biti üzerinde bir dizi hesaplama işlemi gerçekleştirmeyi başardı. Innsbruck'tan deneysel bir fizikçi olan Lukas Postler, ”Gerçek dünyadaki bir kuantum bilgisayar için, tüm algoritmaları programlayabileceğimiz evrensel bir kapıya ihtiyacımız var" diye açıklıyor.
Araştırmacılar, bu evrensel kapıyı 16 hapsolmuş atom içeren bir iyon tuzağı kuantum bilgisayarında uyguladı. Kuantum bilgisi, her biri yedi atom üzerine dağıtılmış iki mantıksal kuantum bitinde depolandı.
Şimdi, ilk kez, evrensel bir kapı kümesi için gerekli olan bu hataya dayanıklı kuantum bitleri üzerinde iki hesaplama kapısı uygulamak mümkün olmuştur: iki kuantum biti üzerinde bir hesaplama işlemi (bir CNOT kapısı) ve mantıksal bir T kapısı.
Teorik fizikçi Markus Müller,” T kapıları çok temel işlemlerdir " diye açıklıyor. “Özellikle ilginçler çünkü T kapıları olmayan kuantum algoritmaları klasik bilgisayarlarda nispeten kolay bir şekilde simüle edilebilir ve olası herhangi bir hızlanmayı reddedebilir. Bu, T kapılı algoritmalar için artık mümkün değildir. Fizikçiler, T-kapısını mantıksal bir kuantum bitinde özel bir durum hazırlayarak ve dolaşmış bir kapı işlemi yoluyla başka bir kuantum bitine ışınlayarak gösterdiler.
Kodlanmış mantıksal kuantum bitlerinde, depolanan kuantum bilgileri hatalardan korunur. Ancak bu, hesaplama işlemleri olmadan işe yaramaz ve bu işlemlerin kendileri hataya eğilimlidir.
Kuantum hesaplamayı kavramak için önce sıradan bir bilgisayarın nasıl çalıştığını anımsayın. Bir toplama işlemi ya da bir tatil rezervasyonu yapın. Süreç değişmez. Girdileriniz öncelikle bir 0 ve 1’ler dizisi haline gelir. Daha sonrasında da bir algoritma tarafından işlenir. Sonunda çıktınız yeni bir 0 ve 1’ler dizisinden oluşur. Yani bir algoritmanın yaptığı tek şey bit dizilerini manipüle etmektir. Burada her bit ya 0 ya da 1’dir. Makine seviyesinde bu bir transistörün üzerinden elektrik akımının geçmesi ya da geçmemesi durumu anlamına gelir.
Ancak mikroskobik bir dünyada işler bizim makroskopik dünyamız kadar net değildir. Kuantum hesaplama da temelini bu gerçekten alıyor. Etrafımızda gördüğümüz nesneler, sezgisel olarak kavrayabileceğimiz biçimlerde davranır. Ama çok daha küçük nesnelere bakmamız gerektiğinde sezgiyi de, sağduyuyu da bir kenara bırakmamız gerekir.
Süperpozisyon fikri, fizikçi Erwin Schrödinger’i, kutudaki bir kedinin siz ona bakmadığınız sürece hem ölü hem de canlı olabileceğini tahmin etmeye yöneltti.
Teker teker ele aldığımızda, atomlar, elektronlar ve fotonlar garip davranışlar sergilemeye başlar. Atomaltı dünyasında en acayip şeylerden biri, elektron ya da foton gibi nesnelerin aynı anda iki farklı durumda birden olabilmesidir. Buna süperpozisyon denir. İşte bu süperpozisyon bizi 0 ve 1 kısıtlamalardan kurtarır. Kuantum bilgisayar, süperpozisyonda olabilen parçacıklarla çalışır. Artık elimizde klasik hesaplama için kullanılan 0 ve 1’ler yerine her ikisini aynı anda alabilen kübitler vardır.
Süperpozisyon durumunda bir parçacık aynı anda iki halde birden olabilir. Yani ikilik sistemde hem 0 hem temsil edebilir. Bunu, döndüğü için aynı anda hem yazı hem tura halini görebildiğiniz bir bozuk paraya benzetebilirsiniz.
Kuantum fiziğinde sadece süperpozisyondan daha fazlası vardır. İşin İçine kuantum dolanıklık eklenirse işler iyice karışacaktır. Birden fazla kübitli bir sisteme bakarsanız, bireysel bileşenler genellikle birbirinden bağımsız değildir. Dolanıklık içindeki iki parça birbirine tuhaf biçimde bağlanmıştır, o yüzden birine olanlar diğerini de etkiler. Ayrıca bir parçayı gözlemlerseniz bu, süperpozisyonun kaybına yol açar. Bu durumun aynısı dolanıklık halindeki ikizine de olur. Bu şekilde çalışan bir sistemde klasik hesaplama yöntemleri işe yaramaz. Bunun yerine, farklı kübitler arasındaki tüm korelasyonları tanımlamanız gerekir. Kübit sayısını artırdıkça, bu bağıntıların sayısı katlanarak artar. Bu durumda klasik bitler yerine kübitler üzerinde çalışan bir bilgisayar, klasik bir bilgisayarın asla başaramayacağı görevleri gerçekleştirecektir.
Kuantum bilgisayarların çalışma prensibi, geleneksel bilgisayarların aksine, bir fiziksel olgunun ölçülmeden önceki olasılıksal durumuna dayanır. Bu olasılıksal durumlar ile çalışma şekli kuantum bilgisayarların işlem hızını geleneksel bilgisayarların oldukça önüne taşır. Fizikçilerin kuantum hesaplamanın umut vaat ettiğini düşünmelerinin gerçek nedeni budur.
Araştırmacılar ayrıca klasik bilgisayarlarda sayısal simülasyonlar kullanarak deneysel sonuçlarını kontrol ettiler ve doğruladılar.
Fizikçiler şimdi bir kuantum bilgisayarda hataya dayanıklı hesaplama için tüm yapı taşlarını gösterdiler. Şimdi görev, bu yöntemleri daha büyük ve dolayısıyla daha kullanışlı kuantum bilgisayarlarda uygulamaktır. Innsbruck'ta bir iyon tuzağı kuantum bilgisayarında gösterilen yöntemler, kuantum bilgisayarlar için diğer mimarilerde de kullanılabilir.
Referans: “Hataya dayanıklı evrensel kuantum geçit operasyonları” Lukas Postler Sascha Heußen, Ivan Pogorelov, Manuel Rispler, Thomas Feldker, Michael Meth, Christian D. Marciniak, Roma Stricker, Martin Ringbauer, Rainer Blatt, Philipp Schindler, Markus Müller ve Thomas Monz, 25 Mayıs 2022, Doğa.
DOI: 10.1038 / s41586-022-04721-1
https://scitechdaily.com/fundamental-breakthrough-error-free-quantum-computing-gets-real/