Fizik Kurallarına Meydan Okuyan Kuantum Simülasyon
Kuantum bilgisayarlar inanılmaz umut vaat ediyor, ancak önlerinde hala büyük bir zorluk var: hesaplamalar sırasında hataları düzeltme mücadelesi.
Gerçekten güvenilir kuantum makineleri inşa etmek için bilim insanlarının bu kuantum süreçlerini normal bilgisayarlarda simüle ederek doğru çalıştıklarından emin olmaları gerekiyor. Bu hiç de kolay bir iş değil; bilgi işlem alanındaki en karmaşık görevlerden biri. Şimdi, dünyada heyecan verici bir ilk olarak, İsveç’teki Chalmers Teknoloji Üniversitesi’nden araştırmacılar, Milano, Granada ve Tokyo’dan ekiplerle birlikte, belirli hata düzeltmeli kuantum hesaplama türlerini simüle etmek için çığır açan bir yöntem geliştirdiler. Bu, güçlü ve güvenilir kuantum teknolojisi oluşturma yarışında ileriye doğru atılmış önemli bir adımdır.
Kuantum Vaatleri ve Zorlukları
Kuantum bilgisayarlar bir gün günümüzün en güçlü süper bilgisayarlarının erişemeyeceği sorunların üstesinden gelebilir. Devrim niteliğindeki hesaplama güçleri tıp, enerji, şifreleme, yapay zeka ve lojistik gibi alanları dönüştürme potansiyeline sahiptir.
Ancak bu heyecan verici olasılıklara rağmen kuantum teknolojisi hala kritik bir engelle karşı karşıya: hatalar. Hataları hızlı ve güvenilir bir şekilde düzeltebilen geleneksel bilgisayarların aksine, kuantum sistemleri hatalara çok daha yatkındır ve düzeltilmesi çok daha zordur. Kuantum bilgisayarlar henüz hata toleranslı değildir, yani pratik kullanım için gereken güvenilirlikten hala yoksundurlar.
Bir kuantum hesaplamasının doğru çalıştığından emin olmak için araştırmacılar genellikle süreci simüle etmek üzere klasik bilgisayarlara başvururlar. Bu simülasyonlar, özellikle bozulmalara direnmek ve yol boyunca hataları düzeltmek için tasarlanmış hesaplamalar için sonuçların doğrulanmasına yardımcı olur. Ancak bu tür gelişmiş kuantum davranışlarını simüle etmek inanılmaz derecede karmaşıktır. Bazı durumlarda, dünyanın en hızlı süper bilgisayarının bile bu görevi tamamlaması evrenin yaşından daha uzun sürer.
Küresel Ekibin Simülasyon Atılımı
İsveç’teki Chalmers Teknoloji Üniversitesi’nden araştırmacılar, Milano Üniversitesi, Granada Üniversitesi ve Tokyo Üniversitesi’nden ekiplerle birlikte büyük bir atılım gerçekleştirdiler. İlk kez, daha önce modellenmesi neredeyse imkansız olan özel bir hata düzeltmeli kuantum hesaplama türünü doğru bir şekilde simüle etmek için bir yöntem geliştirdiler.
“Önceki yöntemlerin etkili olmadığı belirli bir kuantum hesaplama türünü simüle etmenin bir yolunu keşfettik. Bu, artık kuantum hesaplamalarını hata toleransı için kullanılan bir hata düzeltme koduyla simüle edebileceğimiz anlamına geliyor ki bu da gelecekte daha iyi ve daha sağlam kuantum bilgisayarlar inşa edebilmek için çok önemli” diyor Chalmers’ta Uygulamalı Kuantum Fiziği alanında doktora yapan ve yakın zamanda Physical Review Letters’da yayınlanan bir çalışmanın ilk yazarı olan Cameron Calcluth.
Qubits, Noise & Bosonic Codes
Kuantum bilgisayarların hataları düzeltme konusundaki sınırlı yetenekleri, muazzam hesaplama gücü potansiyeline sahip ancak aynı zamanda son derece hassas olan temel yapı taşları qubitlerden kaynaklanmaktadır. Kuantum bilgisayarların hesaplama gücü kuantum mekaniksel süperpozisyon olgusuna dayanır, yani kübitler aynı anda 1 ve 0 değerlerinin yanı sıra tüm ara durumları herhangi bir kombinasyonda tutabilir. Hesaplama kapasitesi her bir ek kubit ile katlanarak artar, ancak bunun karşılığında bozulmalara karşı aşırı duyarlılıkları vardır.
Calcluth, “Çevreden gelen titreşim, elektromanyetik radyasyon veya sıcaklık değişimi şeklindeki en ufak bir gürültü, kübitlerin yanlış hesaplama yapmasına, hatta kuantum durumlarını, tutarlılıklarını kaybetmelerine ve dolayısıyla hesaplamaya devam etme kapasitelerini de kaybetmelerine neden olabilir” diyor.
Bu sorunu ele almak için, bilgiyi birden fazla alt sisteme dağıtmak için hata düzeltme kodları kullanılır, böylece hataların kuantum bilgisini yok etmeden tespit edilmesine ve düzeltilmesine izin verilir. Bunun bir yolu, bir kübitin kuantum bilgisini, titreşen bir kuantum mekanik sisteminin çoklu, muhtemelen sonsuz enerji seviyelerine kodlamaktır. Buna bozonik kod adı verilir. Bununla birlikte, kuantum hesaplamalarını bozonik kodlarla simüle etmek, çoklu enerji seviyeleri nedeniyle özellikle zordur ve araştırmacılar şimdiye kadar geleneksel bilgisayarları kullanarak bunları güvenilir bir şekilde simüle edememişlerdir.
GKP Algoritması: Matematiksel Yenilik
Araştırmacılar tarafından geliştirilen yöntem, Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) kodu olarak bilinen bir tür bozonik kod kullanan kuantum hesaplamalarını simüle edebilen bir algoritmadan oluşuyor. Bu kod, kuantum bilgisayarların önde gelen uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır.
“Kuantum bilgisini saklama şekli, kuantum bilgisayarların hataları düzeltmesini kolaylaştırıyor ve bu da onları gürültü ve bozulmalara karşı daha az hassas hale getiriyor. Derin kuantum mekaniksel yapıları nedeniyle, GKP kodlarının geleneksel bilgisayarlar kullanılarak simüle edilmesi son derece zor olmuştur. Ancak şimdi nihayet bunu önceki yöntemlerden çok daha etkili bir şekilde yapmanın benzersiz bir yolunu bulduk” diyor Chalmers’da Uygulamalı Kuantum Fiziği Doçenti ve çalışmanın ortak yazarı Giulia Ferrini.
Ölçeklenebilir Hata Toleranslı Makinelere Doğru
Araştırmacılar yeni bir matematiksel araç yaratarak kodu algoritmalarında kullanmayı başardılar. Yeni yöntem sayesinde araştırmacılar artık bir kuantum bilgisayarın hesaplamalarını daha güvenilir bir şekilde test edip doğrulayabilecekler.
Ferrini, “Bu, daha önce test edemediğimiz ancak istikrarlı ve ölçeklenebilir kuantum bilgisayarlar inşa edebilmek için çok önemli olan kuantum hesaplamalarını simüle etmenin tamamen yeni yollarını açıyor” diyor.
Kaynak: https://scitechdaily.com
Olası Geleceklerin Kuantum Süperpozisyonunu Oluşturmak İçin Bir Makine İnşa Ediliyor