Kuantum Bilgisayarlarının Geleceği: Qudit Hakkında Bilmeniz Gerekenler! Kuantum bilgisayarları devrimsel bir yeniliğin eşiğinde ve “qudit” kavramı, bu dönüşümün kilit oyuncusu olabilir. Peki, qudit nedir ve kuantum dünyasında nasıl bir değişim yaratabilir? Bu yazımızda quditlerin potansiyelini ve kuantum teknolojilerine getirebileceği yenilikleri keşfediyoruz. Çarpıcı detaylar ve daha fazlası burada!

Kuantum bilgi birimi olan qubit’i duymuş olabilirsiniz. Adından da anlaşılacağı gibi, kuantum bilgisayarlarda qubit, klasik bilgisayarlarda bit’in işlevini görür; fakat önemli bir farkla: Qubitler aynı anda hem 0 hem de 1 olabilir, bu da kuantum sistemlerinin bilgiyi en hızlı klasik sistemlerden bile daha hızlı işlemesine olanak tanır.

Ama bir de qudit var, kuantum bilgisini depolama ve kullanmanın başka bir yolu. Gizmodo, Kanada, Ontario’daki Perimeter Teorik Fizik Enstitüsü ve Waterloo Üniversitesi’nde kuantum araştırmacısı olan Christine Muschik ile bu hesaplama birimi üzerine konuştu; bu birim, klasik bilgisayarların yapamayacağı karmaşık hesaplamalar yapabilmek için kuantum sistemlerinin temel bir ilkesinden faydalanabilir.

Muschik’in ekibi geçtiğimiz hafta Nature Physics dergisinde “yakın vadeli kuantum aygıtlarındaki quditlerle verimli donanım kullanarak gauge teorilerinin kuantum simülasyonlarının kapısını açtıklarını” belirten bir araştırma yayımladı. Muschik’in yeni makalesi, aynı konuyu ele alan 2021 yılında PRX Quantum dergisinde yayımlanan bir önceki makaleyi takip ediyor.

Gizmodo, Muschik ile telefon üzerinden araştırma makalesinin doğası ve quditlerin geleceği hakkında konuştu. İşte sohbettin öne çıkanları:

Isaac Schultz, Gizmodo: Bu yeni makaleniz üzerine konuşabiliriz ama önce, “qudit” kelimesi tam olarak ne anlama geliyor, onunla başlayalım, ne dersiniz?

Christine Muschik: Hesaplamayı en etkili ve güçlü hale getirmek istiyoruz. Bu genel misyonumuz. Kuantum bilgisayarların daha güçlü olma potansiyeli taşıdığına inanıyoruz. Ancak kuantumu en etkili şekilde nasıl kullanabiliriz? Bu, klasik bilgisayarların nasıl çalıştığından büyük ölçüde ilham aldı çünkü klasik bilgisayarlarda sıfırlar ve birleri kullanırsınız ve bu sayede mantıksal işlemler yapabilirsiniz. Çoğu kuantum bilgisayar da sıfır ve birleri alarak kuantum unsurunu ekler. Sıfır ve bir süperpozisyonda olabilir ve bu da qubit oluşturur. Ancak felsefi olarak benzerlik mevcut. Sıfır ve birinize sahipsiniz ve bu şekilde bilginizi işliyorsunuz.

Şimdi quditlerle karşı karşıyayız, ‘D’ harfi ile. Neden sadece iki seviyede sınırlı kalalım ki? Modern kuantum bilgisayarlarda qubit kodlanıyor, sadece iki seviyeniz var ve diğerlerini göz ardı ediyorsunuz. Ama ya diğer durumları göz ardı etmezsek ve bilgiyi onlarda kodlarsak? Başlangıçtaki qutrit ile – sadece bir seviye daha artırarak – bilgi taşıyıcımız artık üç seviyeye, üç olası duruma sahip oldu.

Gizmodo: Bunların her birini bilgi kodlamak için farklı bir yol olarak ele alırsanız, üstel miktarda daha fazla bilgi kodlayabilirsiniz gibi görünüyor.

Christine Muschik: Daha fazla seviye kullanarak daha fazla bilgi sığdırabilirsiniz, ancak üstel miktarda değil. Size bir bit gönderirsem, evet veya hayır gönderebilirim ama [qutrit] gönderirsem evet, hayır ve belki seçeneklerim vardır.

Gizmodo: Bu, bir kuantum bilgisayarın işleyişini nasıl değiştirir?

Christine Muschik: Daha fazla seviyeyi kontrol etmek zorundasınız, ancak ödülleri topluyoruz; bilgi taşıyıcılarınız – kayıt defteriniz – çok daha kompakt hale geliyor.

En önemli şey devrenizin karmaşıklığının azalmasıdır. Mantıksal devreler tasarlıyoruz ve ekibim ve benim için en büyük zorluk devrenin aşırı uzun olmasıdır. Kuantum bilgisayarlar asla tam olarak düzeltilmez ve her işlemi yaptığınızda biraz gürültü eklersiniz. Uzun bir devreye sahip olduğunuzda, öyle bir gürültü birikir ki sonunda sadece gürültü ve yanıtınızı değil, başka bir şey görmezsiniz. Baş ağrımız bu ve neden doğru düzgün uyuyamıyoruz?

Quditler ile fark ettik ki, bilgiler bu denli verimli bir şekilde manipüle edildiğinden dolayı, sanki devrenize bir diyet uyguluyorsunuz. Her şey daha verimli hale geliyor ve sonuca daha hızlı ve daha az gürültü ile ulaşıyorsunuz.

Gizmodo: Şimdi gerçekten araştırmaya dokunduğumuza göre, ekibinizin son makalesinden bahseder misiniz ve ne buldunuz? Bu fikrin iğnesini nasıl hareket ettirdiniz?

Christine Muschik: Takımımız temel parça etkileşimlerini simüle etmek gibi bir hayal kuruyordu – işimi bu nedenle aldım, temel parça etkileşimlerini simüle etmek için. Ancak bir kuantum bilgisayarda yapmak gerçekten zor. Gürültü çok. Temel parça etkileşimleri hayalimiz ve başka bir ekip qudit kuantum bilgisayarları inşa etmenin peşinde. Güçlerimizi birleştirdik.

Sonuçlarımızın iğneyi iki kat hareket ettirdiğini iddia edebilirim. Temel parçacık etkileşimlerini 1D’nin ötesinde simüle edebildik – ilk başta yapmak istediğimiz şey buydu. Ama tesadüfen başka bir şey de başardık: ilk tam qudit algoritması. Her şeyi bir araya getirdik ve işe koştuk, tüm algoritmayı. Şimdi bunu uygulayabileceğimiz bir hesaplama kabiliyetine sahibiz.

Gizmodo: Artık türettiğiniz bu şeyleri, şu anda nasıl uygulayacağınız hakkında daha fazla konuşabilir misiniz?

Christine Muschik: Malzeme bilimi ya da kimyevi alanlarda simüle edebileceğiniz birçok şey var. Aynı zamanda kuantum iletişimde bilgiyi daha güvenli hale getirebilirsiniz. Tüm bunları, teorisyenler, deneyciler ve kullanıcıları bir araya getirdiğimiz bir atölyede fark ettik. Bu hafta quditlerin farklı alanlarda nasıl daha faydalı olabileceğine ve bu teknolojinin önünün nasıl daha fazla açılabileceğine dair bir vizyon oluşturmak için bir yazı hazırlamaya başladık.

Gizmodo: CERN, LCLS gibi deney alanlarıyla bu simülasyonlar ve teorik çerçeveler nasıl bir bağlantı içinde?

Christine Muschik: Şu anda kuantum bilgisayarlarımız kanıt niteliğinde. Küçük ve gürültülüler. Sadece sınırlı şeyler yapabiliyoruz. Bunun çalıştığını gösterebiliriz, ama en güçlü klasik bilgisayarları aşma kapasitesinde değiliz, hatta laptopumdan bile iyi değiliz. Klasik bilgisayarlar bir süre daha ön planda olacak ama onlar da bir sonraki tıkanıklığa erişecek. Bir kuantum bilgisayar kurduktan sonra, özellikle qudit tabanlı, deneylerle kıyaslanabilecek tahminlerde bulunabiliriz.

Ama bazı sorunlarda klasik bilgisayar o kadar iyi ki, pahalı bir kuantum bilgisayarı inşa etmek için bir neden bulamayabiliyoruz. Fakat madde bolluğu veya dinamik koşullar olduğunda, nötron yıldızları ya da evrenin başlangıcı gibi durumlarda, klasik hesaplamalar yetersiz kalıyor.

Gizmodo: Parçacık çarpışmalarında, quditlerin oyun içinde olması gerektiğini söylediniz. Başka stratejiler veya kuantum hesaplama yaklaşımları bu alanda rekabet edebilir mi?

Christine Muschik: Çok uyumlular, bazı insanlar qubitlerin ve quditlerin rakip olacağını düşünebilir ama bizden biri, yalnızca ikisini birleştirir ve harmanlar; ihtiyacınız olana göre sağladıkları faydaları takmak ve çalıştırmak gibi.

Gizmodo: Spesifik olarak, bu alanların sinerjileri nelerdir ve hangi tür sorular qubitler veya quditler kullanılarak daha iyi keşfedilebilinir?

Christine Muschik: Bizim örneğimizde, bir gauge teorisi vardı – temel parçacık etkileşimi – ve iki temel bileşeni içeriyorduk. Bir dizi madde – elde ettiğimizde, elektronlar ve pozitronlar vardı. Elektron ve pozitron için qubitlerde çok doğal bir tanım vardır, bu yüzden qubitlere bırakırız. Ancak zorlayıcı alanlar – bazıları kuantum gauge bosonları olarak adlandırır – doğal olarak birçok seviyeye sahiptir. Bu kuvvet alanlarını iki seviye sistemle açıklamaya çalışırsanız çok verimsiz olur. O eğrileri açıklamada quditleri daha fazla kullanabilirsiniz. Altyapınız aynı, sadece neyi kullanmak istediğinizi seçersiniz.

Gizmodo: Ekibinizin adımları ve genel olarak quditler için atılacak sonraki adımlar nelerdir? Kuantum fiziği için daha genel olarak ne anlama geliyor bunlar?

Christine Muschik: İlk kez temel parçacık etkileşimlerini madde ve zorlayıcılarla birlikte bir boyuttan ötede simüle ettik. Bir sonraki yapmamız gereken üç boyuta geçmek. Daha karmaşık teorilere gitmek istiyoruz. Elektronlar ve pozitronlar ve onların nasıl etkileştiğini konuştuk ama bundan sonra quarklar ve gluonlar dahil edilecek. Ayrıca bu quditler üzerindeki hata düzeltmelerini daha iyi hale getirmemiz gerekiyor. Qudit verimliliği sağlarsak ama aynı zamanda hata düzeltmede, büyük işin içindesiniz.