Bilgiyi geleneksel bitler yerine tek atomlarda kodlayan, çığır açacak kuantum bilgisayarlar yaratma hayali, kuantum hata düzeltmesi olarak bilinen zorlu bir sorun nedeniyle sekteye uğradı.

Harvard araştırmacıları, Pazartesi günü Nature dergisinde yayınlanan bir makalede , belirli bir performans eşiğinin altındaki hataları tespit edip ortadan kaldırabilen yeni bir sistem göstererek, soruna uygulanabilir bir çözüm sunabileceklerini gösterdiler.

Kuantum Bilim ve Mühendislik Girişimi'nin eş direktörü, Joshua ve Beth Friedman Üniversite Profesörü ve yeni makalenin kıdemli yazarı Mikhail Lukin , "İlk kez, ölçeklenebilir, hata düzeltmeli kuantum hesaplama için gerekli tüm unsurları entegre bir mimaride birleştirdik" dedi. "Bugüne kadar herhangi bir kuantum platformunda yapılan en gelişmiş deneyler olan bu çalışmalar, pratik büyük ölçekli kuantum hesaplama için bilimsel temeli oluşturuyor."

Yeni makalede ekip, hataları tespit edip düzeltmek için karmaşık bir dizi teknikle manipüle edilen 448 atomik kuantum biti kullanan "hata toleranslı" bir sistem sergiledi.

Başlıca mekanizmalar arasında fiziksel dolanıklık, mantıksal dolanıklık, mantıksal sihir ve entropi giderme yer almaktadır. Örneğin, sistem "kuantum ışınlanması" hilesini kullanır; yani bir parçacığın kuantum durumunu fiziksel temas olmadan başka bir yerdeki başka bir parçacığa aktarır.

Harvard'daki yüksek lisans çalışmaları sırasında bu araştırmayı yapan ve şu anda Caltech'te yardımcı doçent olan baş yazar Dolev Bluvstein (Ph.D. '25), "Milyonlarca kübit içeren çok büyük ölçekli bilgisayarlara ulaşmak için hâlâ birçok teknik zorluk var, ancak kavramsal olarak ölçeklenebilir bir mimariye ilk kez sahibiz" dedi. "Çok fazla çaba ve teknik geliştirme gerektirecek, ancak hataya dayanıklı kuantum bilgisayarlar inşa edebileceğimiz giderek daha açık hale geliyor."

Harvard öncülüğündeki bu iş birliğine MIT'den araştırmacılar da katıldı ve ekip, Lukin ; MIT Fizik Profesörü George Vasmer Leverett ve MIT Fizik Profesörü Lester Wolfe Vladan Vuletić tarafından ortaklaşa yönetildi. Ekip, Harvard-MIT laboratuvarlarından ayrılan bir girişim şirketi olan QuEra Computing ve Maryland Üniversitesi ile Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'ndeki Ortak Kuantum Bilgi ve Bilgisayar Bilimleri Merkezi ile iş birliği içinde araştırma yürütüyor.

Yeni makale, otuz yıldır süregelen kuantum hata düzeltme arayışında önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor.

Geleneksel bilgisayarlar bilgiyi sıfır ve birlerden oluşan ikili bir kodla kodlar. Kuantum bilgisayarlar ise bilgiyi, kuantum fiziğinin sezgisel olmayan özelliklerine sahip atom altı parçacıklarda depolayarak çok daha fazla işlem gücü elde edebilir.

Geleneksel bir bilgisayarda, en temel bilgi birimi "bit"tir (ikili rakamın kısaltması); kuantum sistemlerinde ise temel birim "kübit"tir (veya kuantum biti).

Geleneksel bilgisayarlarda, bit sayısını ikiye katlamak işlem gücünü de ikiye katlar; kuantum sistemlerinde ise kuantum dolanıklığı adı verilen bir olgu nedeniyle kübit sayısını artırmak gücü üstel olarak artırır.

Teorik olarak, 300 kuantum bitten oluşan bir sistem, bilinen evrendeki parçacık sayısından daha fazla bilgi depolayabilir.

Bu muazzam güçle, kuantum bilgisayarlar ilaç keşfi, kriptografi, makine öğrenimi, yapay zeka, finans ve malzeme tasarımı gibi alanlarda çığır açıcı gelişmelere imza atma potansiyeline sahip.

Ancak bu devrim niteliğindeki potansiyeli gerçekleştirmenin önünde engeller var. Bunların başında hata oranı geliyor. Kuantum bitleri (qubitler) doğaları gereği kuantum durumlarından kaymaya ve kodlanmış bilgilerini kaybetmeye yatkındır; bu da hata düzeltmeyi büyük kuantum makineleri elde etmenin temel bir ön koşulu haline getirir.

Yeni makalede ekip, onlarca hata düzeltme katmanına sahip karmaşık devreler oluşturmak için çeşitli yöntemleri birleştirdi. Sistem, hataları kritik bir eşiğin altına düşürüyor; bu eşik, kübit eklemenin hataları artırmak yerine daha da azalttığı noktadır.

Yeni makalenin baş yazarlarından ve Kenneth C. Griffin Fen ve Edebiyat Fakültesi'nde fizik doktora öğrencisi olan Alexandra Geim, “Hata düzeltmenin nasıl uygulanması gerektiğine dair birçok önemli teorik öneri var,” dedi. “Bu makalede, ölçeklenebilir, derin devre hesaplamasını mümkün kılan temel mekanizmaların neler olduğunu anlamaya odaklandık. Bunu anlayarak, esasen ihtiyaç duymadığınız şeyleri ortadan kaldırabilir, ek yükleri azaltabilir ve çok daha hızlı bir şekilde pratik bir rejime ulaşabilirsiniz.”

Lukin, yıllarca süren deneylerin bazı teknik zorlukların nasıl aşılacağını ve bazılarının nasıl önleneceğini gösterdiğini söyledi.

“Bu darboğazlardan hangilerinin gerçek, hangilerinin ise sadece atlatılabilecek darboğazlar olduğunu anlıyoruz,” dedi. “Sonuçta fizik deneysel bir bilimdir. Bu temel fikirleri bir laboratuvarda gerçekleştirip test ederek, tünelin ucunda ışığı gerçekten görmeye başlıyorsunuz.”

Dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, farklı atom türleri, iyonlar ve süper iletken kuantum bitleri de dahil olmak üzere, kuantum bitleri için çeşitli potansiyel platformları inceliyor.

Harvard ekibi, rubidyum elementinin nötr atomları (proton ve elektron sayıları eşit olduğu için elektriksel yüke sahip olmayan atomlar) konusunda uzmanlaşmıştır. Atomları bilgi taşıyan kübitlere dönüştürmek için elektronların konfigürasyonunu değiştirmek amacıyla lazerler kullanıyorlar.

Google Kuantum Yapay Zeka ekibinin mühendislikten sorumlu başkan yardımcısı Hartmut Neven, yeni makalenin kuantum bit platformları arasındaki "inanılmaz derecede heyecan verici" bir yarışın ortasında yayınlandığını söyledi.

"Bu çalışma, büyük ölçekli ve kullanışlı bir kuantum bilgisayar inşa etme ortak hedefimize doğru önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor," dedi.

Eylül ayında, Harvard-MIT-QuEra grubu, iki saatten fazla kesintisiz çalışabilen ve atom kaybı gibi bir başka teknik engeli aşabilen 3.000'den fazla kübitten oluşan bir sistemi gösteren bir başka Nature makalesi yayınladı.

Lukin, son gelişmelerle birlikte kuantum bilgisayarların yapımına dair temel unsurların yerine oturduğuna inanıyor.

"Birçoğumuzun onlarca yıldır kurduğu bu büyük hayal, ilk defa gerçekten gözümüzün önünde," dedi.

Bu araştırma, Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı, Enerji Bakanlığı, İstihbarat İleri Araştırma Projeleri Birimi, Ordu Araştırma Ofisi, Ulusal Bilim Vakfı ve Ulusal Savunma Bilim ve Mühendislik Lisansüstü Burs Programı'ndan federal fon desteği almıştır.