Yeni nesil kuantum bilgisayarlar için QCCD tuzaklı iyon mimarisi

Kuantum bilgisayarlar (Quantum computers) fizik, kimya, optimizasyon, tıp, malzeme bilimi ve internet güvenliği gibi daha birçok alanda önemli faydalar sunma potansiyeli taşımaktadır. Bu amaçla yüzlerce kübite sahip büyük sistemler inşa etmek için çeşitli endüstriyel ve akademik çabalar sürekli olarak devam etmektedir. Bu akademik çabalardan biri olarak, Princeton Üniversitesi‘nden bilgisayar bilimciler ve Duke Üniversitesi‘nden fizikçiler, yeni nesil kuantum bilgisayarları tasarlama yöntemleri geliştirmek için işbirliği yaptılar. Bu doğrultuda kuantum bilgisayarlar için özel olarak geliştirilen donanım teknolojilerinden biri olan tuzaklı iyon (trapped-ion) teknolojisinden faydalanan kuantum bilgisayar sistemlerine odaklandılar. Çalışmalarının sonucu olarak da ekip, bilgisayar mimarisi tekniklerini ve simülasyonları bir araya getirerek, yakın dönemde bu donanımın uygulamalarla birlikte tasarlanmasının, tuzaklı iyon tabanlı sistemlerinin güvenilirliğini dört dereceye kadar artırabileceğini gösterdi.

Çalışmaları, tuzaklı iyonu kuantum bilgisayarı oluşturmak için NSF tarafından finanse edilen EPiQC projesi kapsamında gerçekleştirildi. Yakın zamanda da 2020 ACM/IEEE Uluslararası Bilgisayar Mimarisi Sempozyumu’nda yayınlandı.

Daha geniş ölçekli tuzaklı iyon kuantum bilgisayarlara doğru

Tuzaklı veya sıkıştırılmış iyonlar, kübit (kuantum bitleri) oluşturmak için önde gelen adaylardan, donanım teknolojilerinden biridir. Bir tuzaklı iyon sisteminde, atomik iyon kübitleri (Kalsiyum veya İterbiyum iyonu gibi) izole edilir ve bir elektrik alanında hapsedilir. Kuantum bilgisini saklamak için, iyonların iç atomik durumları 0 ve 1 kübit durumlarını temsil etmek için kullanılır. Dikkatle ve hassas olarak ayarlanmış lazerler ile iyonlar titreştirilerek; bu sistemler, kuantum kapılarının işlemlerini gerçekleştirebilirler.

IonQ, Honeywell ve Alpine Quantum Technologies gibi şirketler ve Duke Üniversitesi’ndeki bu araştırma ekibi gibi akademik gruplar, bu donanım mimarisini kullanarak kuantum bilgisayarlar oluşturmak için yoğun çalışmalar gerçekleştirmektedirler.

Mevcut tuzaklı iyon teknolojileri önemli bir ümit vaat etmesine rağmen, klasik hesaplamalara göre avantajların ortaya çıkması için 50 ila 100 kübite sahip daha geniş ölçekli cihazlar gereklidir. Bununla birlikte, mevcut tuzaklı iyon donanımlarının çoğu temel bir ölçeklendirme sorununa da sahiptir – tüm iyonların aynı bindirme bölgesinde yer aldığı monolitik bir tek tuzak mimarisine dayanırlar. Bu mimaride, kübit kontrolü ve kapı işlemleri tuzağa daha fazla iyon eklendikçe giderek zorlaşmaktadır.

Ancak endişeye gerek yok! 🙂

Bu zorluklara yanıt olarak, Quantum Charged Coupled Device (QCCD) adı verilen alternatif bir ölçeklenebilir mimari önerilmiştir. QCCD sistemi, her biri tek bir büyük tuzak yerine az sayıda iyon tutan bir tuzak kümesinden oluşmaktadır. Tek tuzaklı mimarilere benzer şekilde, kapılar bir tuzak içinde bir arada bulunan bir veya daha fazla iyon üzerinde işlemler gerçekleştirebilir. Tuzaklar arasında dolanıklığı etkinleştirmek için QCCD, iyonları sistem üzerinden iletmek için iyon mekikleme (ion shuttling) kullanır. Yani, farklı tuzaklarda olan bir çift iyon üzerinde iki-kübitli bir işlem yapılacaksa, iyonlardan biri, kapı yürütülmeden önce iyonları birlikte bularak diğer tuzağa fiziksel olarak taşınır.

Son yirmi yılda, bu sistemlerin inşası için gerekli olan tüm altyapı hızla geliştirilmektedir. Son zamanlarda ise, Honeywell 4 kübite sahip ilk QCCD sistemini kurmak için bu bileşenleri entegre etmeyi başarmıştır.

Yeni nesil QCCD sistemlerinin tasarımı

Yeni nesil QCCD sistemlerini 50 ila 100 kübit ile inşa etmek için, donanım tasarımcıları çeşitli çelişkili tasarım seçenekleriyle uğraşmak zorundalardır.

“Her tuzağa kaç iyon yerleştirilmeli? Yakın dönem kuantum bilgisayım uygulamaları için hangi topolojiler en iyi sonuçları sağlar? Donanımlarda kapıları ve operasyon sonlandırmalarını uygulamak için en iyi yöntemler nelerdir?” gibi sorular ve çok daha fazlası bu sistemlerin tasarımlarını yapanlar için şart sorulardır. Diğer bir yandan bu seçimlerin uygulamalar üzerindeki etkileri ve genel sistem seviyesine performans ve güvenilirlik dengesi açısından etkisi gibi faktörlerde düşünülmelidir. Ayrıca, donanım tasarımcılarının güvenilir olmayan kapılar ve kısa vadeli sistemlerin diğer sınırlamaları ile uğraşmaları ve hala gelişen kuantum uygulamalarının bir kısmına da destekle sunmaları gerekmektedir.

Bu tasarım seçeneklerini verimli bir şekilde incelemek için araştırma ekibi, belirli bir QCCD cihazındaki bir dizi kuantum programı için güvenilirliği, yürütme süresini ve diğer metrikleri tahmin eden bir tasarım aracı akışı oluşturdular. İki bölümden oluşan aracın ilk bölümü, programı QCCD sistemlerinde bulunacak ilkel işlemlerle eşleştiren bir derleyicidir. İkinci bölüm ise, uygulama yürütme kalitesini tahmin etmek için donanım karakterizasyon çalışmalarından türetilen QCCD sistemleri için gerçekçi performans ve gürültü modelleri kullanan bir QCCD simülatörüdür. Bu bileşenler birlikte kullanıldığında, geniş bir tasarım alanını otomatik olarak karakterize etmeye ve cihaz mimarisinin uygulamalar arasındaki etkisini test etmemize olanak sağlamaktadır.

Bilgisayar mimarisi ve simülasyon tabanlı tasarım, günümüze kadar klasik bilgisayım teknolojilerinin ilerlemesinde önemli bir kolaylık sağlamıştır. Kuantum bilgisayar tasarımı için de bu teknikleri kullanarak ve yalnızca donanıma odaklanmak yerine tasarım alanının tam bir sistemsel görünümünü benimseyerek, bu çalışma, 50 ila 100 kübitlik bir sonraki önemli kilometre taşına giden yolu hızlandırmayı amaçlamaktadır. Şu anda 1000’e kadar iyonu ölçeklemek için en umut verici iki opsiyon, geniş ölçekli QCCD sistemleri ve küçük ölçekli QCCD sistemleri arasındaki fotonik ara bağlantılardır.

Çalışma ile ilgili makaleyi buradan detaylıca görüntüleyebilirsiniz.

Kaynakça

1. Materyal tarafından Princeton Üniversitesi
2. 2020 ACM/IEEE 47th Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA) – Architecting Noisy Intermediate-Scale Trapped Ion Quantum Computers