Son on yılda, kuantum bilişim araştırmalarının oldukça üst ölçekli olmaya başladığı söylenebilir. Kuantum bilişim alanına yapılan yatırımlar heyecan verici olsa da, kimsenin halen daha yararlı, hataya dayanıklı bir kuantum bilgisayarı nasıl oluşturacağını henüz bilmediğini hatırlamakta fayda var.
Bu doğrultuda bir çok deney ve “çılgın fikirler” her gün denenmekte.
Gelin, hep birlikte 2019’un öne çıkan kuantum bilişim deneyleri inceleyelim!
1-) Mantıksal kübitlerin ızgara durumları olarak kodlanması
Kuantum hesaplamanın tam potansiyeline ulaşması için hataya dayanıklı (fault tolerant) olması gereklidir. Bununla birlikte, bir mantıksal kübiti kodlamak için binlerce fiziksel kübit kullanıldığından hata düzeltmesi oldukça yıldırıcıdır – ve o zaman bile, yararlı bir hesaplama gerçekleştirmek için binlerce mantıksal kübitin birbirine dolanması gerekir. Bu çalışmada, mantıksal bir kübitin sadece bir harmonik osilatör ile kodlandığı, böylece gerekli kaynakları önemli ölçüde azaltan daha az korkutucu bir yol olduğu gösterilmiştir.
C. Flühmann ve ETH Zürih’teki Jonathan Home’un grubundaki meslektaşları, 2019’un başlarında sıkışmış bir iyonun titreşim durumlarına kodlanmış bir kübiti manipüle ederek yollarını çizdiler. Yılın ilerleyen zamanlarında P. Campagne-Ibarcq ve Yale’deki meslektaşları, süper iletken bir boşlukta mikrodalga fotonlarının GKP (ızgara) durumlarını oluşturmak için bu yaklaşımı uyguladılar. Onlar sadece mantıksal kübiti manipüle etmeyi başarmakla kalmayıp, kalıcı olarak stabilize etmeyi de başardılar!
Süper iletken kübit topluluğu, kübitlerin transmon mu yoksa boşluk fotonları olarak mı kodlanacağını bir süredir tartışıyor ve her iki yaklaşım da halen çekişme halinde.
Bibliyografya:
C. Flühmann et al, Encoding a qubit in a trapped-ion mechanical oscillator, Nature vol. 566, pp. 513–517(2019).
2-) Gizli hata azaltma
2019’da IBM Quantum ekibinden çıkan çalışmalardan biri olan bu deneyde fikir basit ama işe yarar görünüyor. Nature’da yayınlanan “Hata azaltma, gürültülü bir kuantum işlemcinin hesaplama erişimini genişletir” başlıklı araştırma makalesinde, günümüzün gürültülü donanımında kuantum hesaplamaların doğruluğunu artırmanın bir yolu sunuluyor. Hesaplamayı farklı gürültü seviyelerinde tekrarlamanın, kuantum bilgisayarın gürültü olmadan ne hesaplayacağını tahmin etmemizi olanak sağladığı iddaa ediliyor. Bunu yapmak için bir miktar “gerdirme” yapılmasıyla – kübitler üzerinde kuantum işlemleri gerçekleştirmek için kullanılan mikrodalga darbeleri, gürültüyü kontrol edilebilir şekilde yükseltmek için zamanla geriliyor.
Bibliyografya: Abhinav Kandala et al, Error mitigation extends the computational reach of a noisy quantum processor, Nature vol. 567, pp. 491–495(2019).
3-) 2B fotonların küme durumları
Çift raylı fotonik kübitlerin popüler gelgitine karşı çıkan iki grup, sürekli serbestlik derecelerinde dolanan iki boyutlu küme halleri oluşturmanın harika yollarını buldu. Küme durumları, başlangıç kümesindeki dolaşmayı tüketen ölçüm dizileri olarak keyfi ünitelerin oluşturulduğu ölçüm tabanlı kuantum hesaplama (MBQC) için bir kaynaktır. Oldukça basit bir plan, Mikkel V. Larsen ve meslektaşlarının birbirleriyle 30.000’den fazla fotonik modunu birbirine dolaştırmasını sağladı ve gerçekten CV kodlamalarının gücünü bizlere gösterdi.
Bibliyografya: Mikkel V. Larsen et al, Deterministic generation of a two-dimensional cluster state, Science 18 Oct 2019: Vol. 366, Issue 6463, pp. 369–372.
4-) Kuantum üstünlüğü
Tabii ki listemizde olmazsa olmaz bir gelişme. John Martinis laboratuvarında 53 kübit makinenin uzun süredir beklenen sonucu hayal kırıklığına uğratmadı. Bu gelişme kuantum bilişim ve bilim camiası içinde oldukça fazla tartışmaya yol açmıştı.
Google’ın son teknoloji ürünü cihazı 53 kübit üzerine rastgele 1- ve 2-kübit kapılarını uygular. 20 döngüden sonra, doğruluk payı %1’in altına düşer – ancak şaşırtıcı bir şekilde, bu hala kuantum avantajının net bir sinyalini verir. Ancak bu rakamlar bize hata düzeltmeye ne kadar ihtiyacımız olduğunu hatırlatır. Birkaç 10 işlemden sonra hata yapan bir cihaz tercih olmayacaktır.
Bibliyografya: F. Arute et al, Quantum supremacy using a programmable superconducting processor, Nature Vol. 574, pp. 505–510(2019) .
5-) Bozon örneklemesi
Jian-Wei Pan’ın grubundan yapılan bu bozon örnekleme çalışmasında tek bir foton kaynağının verimliliği yıllar boyunca durmadan bastırıldı ve şimdi “neredeyse” kuantum avantajı gösteren bir interferometre inşa ettiler: Bu sayede 20 foton girişli 14 çıkışlı bozon örneklemesindeki tam olasılık dağılımının teorik olarak hesaplanması sadece saatler sürecek.
Ancak, ideal bozon örneklemesi zor bir hesaplama olarak tasarlanırken, aynı şey gürültülü bozon örneklemesi için de geçerli midir? Raúl García-Patrón ve meslektaşları tarafınca bu yıl gösterilen teorik bir sonuç, cevabın “hayır” olduğunu öne sürüyor! Özet bu konuda yeterince açık: “Bu çalışmada, klasik bilgisayarlar kullanarak, entegre fotonik benzer biçimde devrenin derinliği ile iletimin üssel bir bozulmasından muzdarip bütün mimarilerde fazlaca foton girişimini etkili bir şekilde simüle edebildiğini gösteriyoruz. ”
Peki daha büyük ve daha büyük bozon örnekleyicileri inşa etmeye devam etmek mantıklı mı? Sanırım önümüzde yıllar bu konuda daha fazla münakaşa getirecek.
Bibliyografya: Hui Wang et al, Boson Sampling with 20 Input Photons and a 60-Mode Interferometer in a 10¹⁴-Dimensional Hilbert Space, Phys. Rev. Lett. 123, 250503 — Published 18 December 2019
6-) Elmas gibi parlayan kübitler
Loophole içermeyen Bell testleri artık eskide kaldı. Araştırmacılar, 10 kübitlik bir kaydın keyfi 2-kübit dolaşmış durumlarını oluşturdular.
Katılardaki tek kusurlarla ilişkili spinler, kuantum bilgi işleme ve kuantum ağları için umut verici kübitler sağlar. Son deneyler uzun tutarlılık sürelerini, yüksek sadakatli işlemleri ve uzun menzilli dolaşıklığı göstermiştir. Bununla birlikte, kontrol şu ana kadar birkaç kübit ile sınırlı kalmıştır, üç dönüşün birbirine karışmış durumları gösterilmiştir. Çapraz konuşmayı önleyen ve tüm kaydın tutarlılığını koruyan kuantum kapılarına duyulan ihtiyaç nedeniyle daha büyük çok katlı kayıtların yapılması zordur. Bu yazıda, bir elektron spini dinamik olarak ayrıştırılarak nükleer spinlerin seçici faz kontrollü sürüşü ile birleştirilen yeni koherens korumalı kapılar sunulmaktadır. Bu kapıları, bir azot-boşluk merkezinin elektron spini ve elmastaki dokuz nükleer dönüşten oluşan on-kubit bir kuantum sicilini gerçekleştirmek için kullanan araştırmacılar, kaydın, 45 olası kübit çifti arasında dolaşma oluşturarak tam olarak bağlandığını ve yedi kübite kadar orijinal çok parçalı dolaşmış durumları gerçekleştirdiğini gösterdi. Sonuçların, uzun tutarlılık sürelerine sahip büyük kuantum kayıtlarının kontrolünü mümkün kılabileceğini ve bu nedenle katı kuantum iplik kübitleri olan gelişmiş kuantum algoritmalarına ve kuantum ağlarına kapı açar.
Bibliyografya: C. E. Bradley et al, A Ten-Qubit Solid-State Spin Register with Quantum Memory up to One Minute, Phys. Rev. X 9, 031045 — Published 11 September 2019
7-) Süper iletken kübitlerle hata düzeltme
Sürekli değişken kodlamalardaki tüm ilerlemelere rağmen, bir yüzey kodundaki transmon kübitler hata düzeltme için önde gelen mimarilerden biri olmaya devam etmektedir. Ve bu yılın sonunda, C. K. Andersen ve ETH Zürih’teki meslektaşları bu hedefi bir inç daha yaklaştırdı. Bir yüzey kodunun tek bir karesini oluşturdular – 4 fiziksel kübit ve 3 ancil – mantıksal bir kübit başlattı ve tüm stabilizatörlerin ölçümlerini gösterdi. Ayrı bir deneyde, aynı grup ölçüm sonuçlarına bağlı olarak hızlı geri bildirim yapabilme yeteneğini ortaya çıkarmıştır.
Bibliyografya: Christian Kraglund Andersen et al, Repeated Quantum Error Detection in a Surface Code, arXiv:1912.09410
8 -) Fotonik ağlarla iyon tuzaklarını ölçeklendirmek
İyon tuzaklarını ölçeklendirmek için ana fikirlerden biri – küçük işlemcilerden büyük ölçekli cihazlara – birkaç kübitli üniteleri fotonik bağlantılar bağlamaktır. Buradaki zorluk, bağlantıları hızlı ve aslına uygun hale getirmektir. Oxford’daki araştırmacıların gerçekleştirdiği çalışma da %78 oranla uzaktan dolaşıklık sağlandı ve saniyede 4.5 dolaşık çift üretildi.
Bibliyografya: L. J. Stephenson et al, High-rate, high-fidelity entanglement of qubits across an elementary quantum network, arXiv:1911.10841
Yoruma kapalı.