Google, Kuantum Bilgisayarlarda Hata Oranını 40 Kat Azaltan Yöntemi Test Etti

Google, kuantum bilgisayarların güvenilir biçimde çalışmasını zorlaştıran hata sorununa yönelik yeni bir yaklaşımı Willow işlemcisi üzerinde başarıyla test etti. Magic state cultivation adı verilen yöntem, belirli kuantum durumlarının hazırlanması sırasında oluşan hata oranını yaklaşık 40 kat düşürürken mantıksal kuantum durumlarında yüzde 99,99 doğruluk seviyesine ulaştı. Deney sonuçları, gelecekteki kuantum sistemlerinde karmaşık hesaplamalar için gereken kaynakların azaltılmasına katkı sağlayabilecek bir yöntemin gerçek donanımda uygulanabildiğini gösteriyor.

Google, Sihirli Kuantum Durumlarını Daha Az Kaynakla Hazırlamayı Hedefliyor

Kuantum bilgisayarların gelişiminin önündeki temel engellerden biri, kübitlerin çevresel koşullardan kolayca etkilenerek hesaplama hatalarına açık hale gelmesi. Geleneksel bilgisayarlardaki bitler 0 veya 1 değerini temsil ederken kuantum bitleri, kuantum mekaniğinin sağladığı farklı durumları kullanarak hesaplama yapar. Ancak bu hassas yapı, sistemlerin güvenilir sonuç üretmesi için gelişmiş hata düzeltme tekniklerini gerekli kılar.

Hata düzeltme sistemleri tek başına yeterli olmadığından kuantum bilgisayarların bazı özel işlemler için ayrıca yüksek doğrulukla hazırlanmış kuantum durumlarına ihtiyacı bulunuyor. Magic state olarak adlandırılan bu durumlar, hata düzeltmeyle korunan kübitler üzerinde gerçekleştirilmesi güç olan belirli hesaplama işlemlerinin yürütülmesini sağlıyor.

Geleneksel yaklaşımlardan magic state distillation yöntemi, hatalı olabilecek çok sayıda kuantum durumunu işleyerek daha az sayıda güvenilir durum elde etmeye dayanıyor. Bu işlem yüksek miktarda donanım ve hesaplama kaynağı tüketebiliyor. Bazı tahminlerde, gelecekteki kuantum bilgisayarların kaynaklarının yüzde 95’e varan bölümünün yalnızca bu özel durumların hazırlanmasına ayrılabileceği belirtiliyor. Üstelik her sihirli durumun tek kullanımlık olması, karmaşık hesaplamalar sırasında yeni durumların sürekli üretilmesini gerektiriyor.

Google’ın geliştirdiği magic state cultivation yaklaşımı, özel kuantum durumlarını daha küçük bir sistemde hazırlayıp ölçümlerle doğrulamaya dayanıyor. Kontrolleri geçemeyen denemeler elenirken başarılı sonuçlar daha büyük bir kuantum yapısına genişletiliyor. Böylece çok sayıda kusurlu durumu işleyerek kaliteli sonuçlar üretmeye dayanan geleneksel yönteme alternatif bir yaklaşım ortaya çıkıyor.

Google araştırmacıları Craig Gidney, Noah Shutty ve Cody Jones, 2024 yılında ortaya atılan teorik yaklaşımı geliştirerek yöntemin uygulanmasına yönelik çalışmalar yürüttü. Ekibin karşılaştığı sorunlardan biri, ilk deneylerde ölçüm sonuçlarının beklenmedik sapmalar göstermesiydi. Araştırmacı Emma Rosenfeld’in de yer aldığı testlerde, laboratuvar ortamındaki elektrikli ekipmanlardan kaynaklanan gürültünün ve sıcaklık değişimlerinin ölçüm güvenilirliğini etkilediği belirlendi.

Ekip, aylar süren deneyler ve simülasyonların ardından işlemcinin kontrol sistemlerinde iyileştirmeler yaptı. Araştırmacılar ayrıca kuantum durumlarının doğruluğunu değerlendirmek için kickback tomography adı verilen yeni bir ölçüm tekniğinden yararlandı. Bu teknik, gürültünün ölçümler üzerindeki etkisini azaltarak hazırlanan durumların güvenilirliğinin daha doğru değerlendirilmesine yardımcı oldu.

Google’ın Willow kuantum işlemcisinde elde ettiği sonuçlar, yeni yaklaşımın laboratuvar ortamındaki teorik hesaplamalarla sınırlı kalmadığını gösterdi. Yöntem, gerçek kuantum donanımı üzerinde denenerek belirli kuantum durumlarının daha düşük hata oranıyla hazırlanmasına yönelik somut bir sonuç ortaya koydu.

Deneylerde magic state cultivation yöntemiyle hazırlanan kuantum durumlarının hata oranı, yöntemin kullanılmadığı duruma kıyasla yaklaşık 40 kat azaldı. Google ekibi, karmaşık kuantum hesaplamalarında kullanılabilen mantıksal T durumlarını yüzde 99,99 doğrulukla hazırlamayı başardı. Bu sonuç, kuantum hesaplamalarda güvenilirliği artırmaya yönelik çalışmalar açısından önemli bir teknik ilerleme olarak değerlendiriliyor.

Mantıksal kuantum durumları, fiziksel kübitlerdeki hataları yönetmek için hata düzeltme kodlarıyla oluşturulan daha güvenilir hesaplama birimlerini ifade ediyor. Buradaki doğruluk oranı, deneyde hazırlanan belirli kuantum durumlarının kalitesini gösteriyor; tek başına bütün bir kuantum bilgisayarın yüzde 99,99 doğrulukla çalıştığı anlamına gelmiyor.

Yöntemin farklı hata düzeltme sistemleriyle birlikte kullanılabilmesi de araştırmanın önemli sonuçları arasında yer aldı. Google ekibi, grafting adı verilen teknikle mesafesi 3 olan bir renk kodundan (color code) mesafesi 5 olan bir yüzey koduna (surface code) geçiş gerçekleştirdi. Her iki yaklaşım da kuantum bilgisayarlarda hata tespiti ve düzeltmesi için kullanılıyor.

Hata düzeltme kodlarındaki mesafe değeri, kodun belirli hata türlerine karşı sağladığı korumayla ilişkili. Genel olarak daha yüksek mesafe, daha güçlü hata koruması sağlayabiliyor; ancak bu avantaj daha fazla fiziksel kaynak gerektirebiliyor. Google’ın iki farklı kod arasında geçişi gerçek donanımda göstermesi, gelecekte farklı hata düzeltme yöntemlerini aynı sistemde bir araya getirebilecek tasarımlar açısından önem taşıyor.

Google’ın araştırması, sihirli kuantum durumlarının hazırlanmasında kaynak ihtiyacını azaltabilecek bir yaklaşımın gerçek işlemci üzerinde uygulanabildiğini ortaya koyuyor. Hata oranındaki düşüş ve mantıksal durumlarda ulaşılan doğruluk, kuantum sistemlerin daha karmaşık işlemleri güvenilir biçimde gerçekleştirmesine yönelik çalışmalara katkı sağlayabilir.

Bununla birlikte araştırmacıların gösterdiği kod geçişi sırasında ek hataların ortaya çıkması, yöntemin geliştirilmesi gereken yönleri bulunduğunu da ortaya koyuyor. Yaklaşımın büyük ölçekli kuantum bilgisayarlarda ne kadar verimli çalışacağı, daha fazla hesaplama yükü altında nasıl sonuç vereceği ve toplam donanım ihtiyacını ne ölçüde azaltacağı henüz netleşmiş değil.

Kuantum bilgisayarların pratik uygulamalara ulaşması, yalnızca tek bir işlemde yüksek doğruluk elde edilmesine bağlı olmayacak. Sistemlerin çok sayıda kübit üzerinde uzun hesaplamaları sürdürebilmesi, hata düzeltme maliyetlerini yönetebilmesi ve farklı işlemleri istikrarlı biçimde gerçekleştirmesi gerekecek. Google’ın Willow işlemcisi üzerinde test ettiği yöntem, bu hedefe yönelik önemli bir adım sunarken teknolojinin geniş ölçekte kullanılabilmesi için daha fazla deney yapılması gerekiyor.