Google’un Hibrit Kuantum Simülatörü Yeni Fizik Dünyalarının Kapılarını Aralayabilir

Google’daki kuantum araştırmacıları, analog ve dijital yaklaşımları birleştiren yepyeni bir kuantum simülasyon yöntemi geliştirdi. Bu yöntem, geleceğin süper bilgisayarlarını test etmenin yeni bir yolunu da sundu.

Ekip, 69 süper iletken kuantum biti veya kübiti bir araya getirerek oluşturdukları bir kuantum simülatörü kullanarak bu yöntemlerini test etti. Araştırmaları, Çarşamba günü yayımlandıNature dergisinde ve bu sistemin, sadece analog veya dijital cihazlara kıyasla avantajlarını ortaya koyarak, hibrit yaklaşımın fiziğe getireceği olası yeni keşiflere de işaret etti.

“Bu konuda çok heyecanlıyız çünkü bu yöntemin, bugünün kuantum bilgisayarlarında keşifler ve uygulamalar için harika bir yol olabileceğini düşünüyoruz,” dedi Google Quantum AI’da araştırmacı bilim insanı ve araştırmanın baş yazarı Trond Andersen bir basın toplantısında. “Klasik bilgisayarların, hatta dünyanın en hızlıları bile, gerçekleştiremeyeceği türden keşifler ve uygulamalar.”

Kuantum bilgisayarlarının kübitleri, klasik bilgisayarlardaki düzenli bitler gibi çalışıyor ancak kuantum durumda kalmaları için çok hassas koşullarda, genellikle süper soğutulmuş ortamda tutulmaları gerekiyor. Sistem çok fazla gürültüye maruz kalırsa kuantum çalışması bozuluyor. Fizikçiler, bugünün sistemlerinin ve testlerinin, çok daha sağlam ve dolayısıyla mevcut sistemlerden çok daha uzun süre kuantum işlemleri gerçekleştirebilecek hata toleranslı kuantum bilgisayarlarının önünü açmasını umuyorlar.

Dijital bir simülasyonda, kuantum dinamikleri, iki kübitin bir araya getirildiği bir sistem kurularak oluşturuluyor—araştırmacıların çeşitli sistemleri kademeli olarak inşa etmelerine izin veren esnek bir yöntem. Analog simülasyonlar ise farklı çalışıyor; tüm kübitler arasındaki dinamikleri sürekli ölçerek, kuantum özelliklere sahip parçacıklar arasındaki hızla gelişen dinamiklerin daha gerçekçi bir temsilini sunuyor.

“Kuantum hesaplamanın ana kaynağı olan dolanıklık, tüm bu eşleşmeler aynı anda aktif olduğunda çok daha hızlı büyüyebiliyor,” dedi Andersen. “Gerçekten her ikisini de istiyoruz.”

Uygulamada, ekip dijital kapılar kullanarak kuantum durumunu hazırladı ve bu, sistemin başlangıç durumunda onlara esneklik sağladı. Sonrasında simülasyonu analoğa çevirdiler ve sistemi, fazla gürültüden etkilenmeden ilginç kuantum durumlarına hızla götürmek için sistemin hızlı bir şekilde evrim geçirmesine izin verdiler. Daha sonra simülasyonu tekrar dijitale çevirdiler, böylece gelişen analog durumdan daha fazla esneklikle durumu inceleyebildiler.

Araştırmacılar, ilk başta simülasyonlarının ve bir ölçüde klasik bilgisayar simülasyonlarının beklentileri aştığını fark etti. Ekip, simülasyonları ve Kibble-Zurek mekanizması olarak bilinen, ilk evrenin simetrinin nasıl bozulduğunu açıklamak için geliştirilen bir teorinin tahminleri arasında bir uyumsuzluk tespit ettiler. Bu mekanizma bir sistemin belirli bir hızda yükselmesinde dinamikleri ve kusurları öngörüyor.

“Simülasyon sonuçlarımız bu tahminle hiç uyuşmuyor ve bu başlangıçta biraz endişe vericiydi,” diyor Andersen. “Ancak daha fazla deney yaparak bunun bir hata olmadığını, yeni bir fizik keşfi olduğunu gösterebildik.”

Kuantum araştırmalarının kutsal kâsesi, klasik bilgisayarların çözemeyeceği problemleri çözebilecek bir kuantum bilgisayarı geliştirmek. Bilim insanlarının bu tür bir bilgisayarın nasıl olacağını test etmeleri için kuantum sistemleri araştırıp içinde bulundukları ilginç durumları gürültü birikmeden keşfetmeleri gerekiyor.

Ekip deneyini şirketin Sycamore kuantum işlemcisi ile gerçekleştirdi, ancak Willow işlemcisi tarafından geride bırakıldı. Ekip bir sonraki adımda aynı simülasyonları Willow’da çalıştırmayı planlıyor ve sonuçlar ilginç olabilir. Google, Sycamore’un bir problemi 200 saniyede çözdüğünü ve bir klasik süper bilgisayarın yaklaşık 10.000 yıl alacağını belirttiği 2019 yılında kuantum üstünlüğünü ilan etti. Ancak Willow’un performansı, en hızlı klasik süper bilgisayar için 10 septilyon yıl sürer.

Son ekip, kuantum simülasyonlarını klasik bir rejimde tekrarlamayı başarmış olsa da, aynı zamanda Random circuit sampling (RCS) testinde bahsedilen performansı ile kuantum sistemin klasik bir cihazın kapasitesini aşabileceğini de gösterdiler. Willow üzerinde yapılacak analog-dijital testlerin, simülasyon kurulumunun giderek karmaşıklaşan görevler için uygunluğunu gösterebileceği belirtiliyor.

Sonuç olarak: Kuantum teknolojisinde büyük ilerlemeler kaydediliyor ve gelecekte bizi nereye götüreceği konusunda kesin bir şey söylemek zor olmasına rağmen, evrenin ısı ölümünden önce bu noktaya varacağımız kesin gibi görünüyor.

Google, hatasız bir kuantum bilgisayar hedefine yönelik altı aşamalı yol haritasındaki üçüncü aşamaya yaklaşmakta. Bu hedefe ulaşmak onlarca yıl alabilir, fakat ekibin baş bilimcisi, teknolojinin ticari uygulamalarının beş yıl içinde gerçekleşebileceğini düşünüyor.

Temperinizi yüksek tutmayın—nükleer füzyon iyimserlerine verdiğimiz tavsiyenin aynısını veriyoruz—ama araştırmacılar kullanışlı kuantum bilgisayar geliştirmede ilerliyorlar.