Klasik bilgisayarlar, ikili sistemler temelinde çalışır. Silikon transistörlerin ya açık ya da kapalı olması, yani iki kesin durumu temsil etmesi, dijital dünyanın yapı taşını oluşturur. Kuantum bilgisayarlar ise bu anlayışı devam sürdürür; temel bilgi üniteleri olan “qubit” (Türkçe: kübit), ölçüm anında klasik bit üzere sadece iki muhtemel durumdan birine çöker. Ancak kuantum fiziği, sırf ikili sistemlerle hudutlu değil. Kuantum sistemler tabiatı gereği çok daha fazla duruma erişebilir. Örneğin, bir elektronu düşünün: Atom çekirdeği etrafındaki farklı güç düzeylerinde bulunabilir. Kuantum bilgisayarlarda çoklukla bu güç düzeylerinden en düşük iki tanesi seçilerek kübitler oluşturulur. Ama teoride, bu iki durumun ötesinde daha fazla seviyeyi kullanmak da mümkün.
“Qudit” çağı ile daha fazlasına
Nature mecmuasında yayımlanan yeni bir çalışmada, araştırmacılar kuantum bilgi ünitelerinin sadece iki değil, üç yahut dört durumu barındırabileceği yeni bir deneysel usulü duyurdu. Bu çok durumlu sistemler, genel ismiyle “qudit” (quantum digit) olarak biliniyor. Üç duruma sahip olanlar “qutrit”, dört duruma sahip olanlar ise “ququart” olarak isimlendiriliyor.
Araştırmacıların bu çalışmadaki en büyük başarısı ise çok düzeyli bu kuantum sistemlerinde hata düzeltme prosedürünü birinci defa muvaffakiyetle uygulamaları oldu. Bu gelişme, daha az donanım kullanarak daha fazla bilgi sürece mümkünlüğünün kapısını aralayabilir.
Öte yandan qudit sistemlerinin yaygınlaşmamasının birkaç nedeni bulunuyor. Öncelikle, pek çok mevcut kuantum donanımı sırf iki durumu işleyebilecek biçimde tasarlanmış durumda. Daha fazla güç düzeyi eklendiğinde, bu düzeyler ortasındaki farklar küçülüyor ve ayrıştırmak güçleşiyor. Ayrıyeten, çok düzeyli sistemlerle çalışmak, kübitlere nazaran büsbütün farklı bir programlama modelini gerekli kılabiliyor. Buna karşın, qutrit ve ququart üzere sistemler, kuantum donanımında yaşanan kapasite sıkıntılarına çözüm olabilir. Günümüzde en büyük kuantum bilgisayar üreticileri, kâfi sayıda kübit üretip bunları birbirine bağlayarak manalı hesaplamalar yapmakta zorlanıyor. Şayet daha fazla bilgi daha az fizikî sistemde saklanabilirse, bu durum kuantum üstünlüğüne daha erken ulaşılmasını sağlayabilir.
Qudit’lerde kusur düzeltme
Yeni çalışmada kullanılan sistem, halihazırda yaygın bir kuantum donanımı olan transmon’a dayanıyor. Bu harika iletken yapı, mikrodalga rezonatörüne bağlı bir kuantum bit olarak vazife yapıyor. Fakat bu deneyde transmon, ek bir mikrodalga boşluğu ile entegre edilerek daha fazla mod taşıyabilecek hale getirildi.
Bu boşluğa kâfi ölçüde foton gönderildiğinde, fotonlar ortasında teşebbüs desenleri oluşuyor. Bu desenler, farklı güç modlarını temsil ediyor ve her biri bir bilgi durumu olarak kullanılabiliyor. Daha fazla mod, daha fazla bilgi manasına geliyor. Fakat tıpkı vakitte, foton kaybı riski de artıyor ve yanılgı oranları yükseliyor.
Araştırmacılar, bu sistemde qutrit ve ququart yapılarını oluşturarak yanılgı oranlarını düşürmek için hata düzeltme algoritmalarını muvaffakiyetle uyguladılar. Bu, daha evvel sırf kübitlerde mümkün olan bir adımın, daha karmaşık sistemlerde de başarılabileceğini gösterdi.
Kuantum belleğin yeni ufukları
Kübitlerin ötesine geçen kuantum bilgi üniteleri üzerine yapılan araştırmalarda, sırf çok durumlu kuantum sistemleri geliştirmek değil, tıpkı vakitte bu sistemlerin kararlılığını sağlamak da büyük ehemmiyet taşıyor. Araştırmacıların qudit olarak isimlendirdiği bu sistemler, kuantum hesaplamanın geleceği için umut vaat ederken, beraberinde birtakım teknik zorluklar da getiriyor. Yeni deneylerde bu sistemlerin stabilitesinde kilit rol oynayan teknoloji olarak transmon ve ona bağlı mikrodalga boşluğu öne çıkıyor. Çoklukla transmon, boşluğun kuantum durumunu denetim etmek ve gerektiğinde bu durumu okumak için kullanılır. Lakin bu çalışmada bilim insanları, transmon’u sırf bilgi okuma değil, birebir vakitte çok daha hassas bir süreç olan zayıf ölçüm için kullandı.
Zayıf ölçümler, sistemin kuantum durumunu bozmak yerine, sadece bu durumun değişip değişmediğine dair ipuçları sunuyor. Yani rezonatördeki durumun ne olduğunu tam olarak söylemese de, sistemde bir hata meydana gelip gelmediğini anlayabiliyor. Araştırmacılar, bu çeşit ölçümleri seri halinde gerçekleştirerek sadece kusurun varlığını değil, birebir vakitte tabiatını ve nasıl düzeltilebileceğini de ortaya koydu.
Bu yanılgı düzeltme süreci, sistemin istikrarını sağlamak üzere optimize edildi. Değişik olan ise araştırmacıların bu denetim sistemini direkt teorik modellere nazaran tasarlamamasıydı. Bunun yerine, sistemin denetiminde tesirli olan tüm değişkenleri belirleyip, bunları pekiştirmeli yahut destekli öğrenme (reinforcement learning) ile optimize ettiler. En son maksat, kuantum durumun daha uzun mühlet korunabilmesini sağlamak—başka bir deyişle, sistemi süreksiz de olsa bir bellek üzere davranmaya ikna etmekti.
Deneylerde sistem sırasıyla bir kübit, qutrit ve ququart olarak çalıştırıldı. Her biri için sistemin ne kadar mühletle kararlı kaldığı—hem yanılgı düzeltme açıkken hem de kapalıyken—ölçüldü.
Sonuçlar epey çarpıcıydı: Kübitten qutrit’e, oradan ququart’a geçildikçe, yani sistem daha fazla bilgi barındırdıkça, kuantum belleğin ömrü kısaldı. Lakin yanılgı düzeltme faal hale getirildiğinde bu performans kayıplarının bir kısmı telafi edildi. Örneğin: Kusur düzeltmesi yapılmış bir qutrit, yanılgısız bir kübit kadar uzun müddet kararlı kalabildi. Kusur düzeltmeli bir ququart ise, yanlışsız bir qutrit’ten daha âlâ performans gösterdi. Her durumda, yanılgı düzeltme ile sistem ömrü yaklaşık 1.8 kat uzadı.
Elbette, bu deneyler şimdilik tek bir aygıtta, başka qudit’lerle irtibat kurulmadan ve gerçek hesaplamalar yapılmadan gerçekleştirildi. Fakat kübitler üzerindeki evvelki çalışmaların da emsal biçimde küçük ölçekli başladığı düşünülürse, bu cins kavramsal ispatların gelecekteki teknolojiler için kritik birer adım olduğunu söylemek yanlış olmaz.
Hesaplama karmaşıklığı hâlâ değerli bir mahzur olsa da, günümüzde kuantum sistemlerinin karşı karşıya olduğu iki temel sorun—düşük kübit sayısı ve yüksek yanılgı oranı—göz önünde bulundurulduğunda, bunlardan en az birine tahlil olabilecek bir yaklaşım geliştirilmiş olması dikkate bedel bir ilerleme.
