Google Willow Kuantum Çipi Sihirli Durum Hatalarını 40 Kat Azalttı

Google Quantum AI, sihirli durum yetiştirme (magic state cultivation) adlı bir tekniğin süperiletken Willow işlemcisinde çalıştığını gerçek donanım üzerinde gösterdiğini açıkladı. 15 Ekim’de duyurulan ve Science dergisinde yayımlanan sonuç, sihirli durum olarak adlandırılan durumlardaki hataları kabaca 40 kat azalttı ve rekor düzeyde %99,99 mantıksal doğruluğa sahip T-durumları üretti. Çalışma, kullanışlı ve hata düzeltmeli bir kuantum bilgisayara giden yoldaki en maliyetli adımlardan birini hedefliyor.

Kuantum hesaplamada sihirli durum nedir?

Hata düzeltmeli kuantum bilgisayarlar bazı işlemleri düşük maliyetle yürütebiliyor, ancak tam anlamıyla “evrensel” bir makinenin klasik bilgisayarların simüle edebileceklerinin ötesine geçen işlemlere de ihtiyacı var. Sihirli durumlar, makinenin hata korumasını bozmadan bu daha zor işlemleri mümkün kılan, özel olarak hazırlanmış kuantum durumları.

Sorun arzda yatıyor. Her sihirli durum kullanıldığında tükeniyor, bu nedenle büyük bir hesaplama bunların sürekli bir akışına ihtiyaç duyuyor. Bunları düşük hata oranlarıyla üretmek ise maliyetli: Google, gelecekteki bir kuantum bilgisayarın kapasitesinin %95’e kadarının yalnızca bu durumları üretmeye harcanabileceğine dair tahminlere atıfta bulunuyor.

Sihirli durum yetiştirme nasıl çalışıyor?

Yetiştirme yaklaşımı, geleneksel ve kaynak tüketen yöntem olan sihirli durum damıtmaya (magic state distillation) daha yalın bir alternatif olarak 2024’te Google araştırmacıları Craig Gidney, Noah Shutty ve Cody Jones tarafından önerildi. Yetiştirme, çok sayıda gürültülü durumu birleştirerek tek bir iyi durum elde etmek yerine, çipin küçük bir bölgesine enjekte edilen tek bir gürültülü durumla başlıyor.

Ardından bir dizi koordineli kontrol hataları arıyor. Bir kontrol başarısız olursa deneme iptal edilip yeniden başlatılıyor; başarılı olursa durum kademeli olarak daha saf ve daha düşük hatalı bir sürüme dönüştürülüyor. Google araştırmacıları Emma Rosenfeld ve Craig Gidney bir blog yazısında süreci yalnızca temiz durumların geçmesine izin veren bir filtreye benzetiyor.

Google Willow’da neyi başardı?

Google’a ve Science makalesine ilişkin haberlere göre ekip şu sonuçları bildirdi:

• Yetiştirilmemiş durumlara kıyasla hatalarda yaklaşık 40 kat azalma.
• Google’ın rekor olarak nitelendirdiği, T-durumları için %99,99 mantıksal doğruluk.
• Yetiştirilmiş bir durumun mesafe-3 renk kodundan, genel hata düzeltmede kullanılan türden daha büyük bir mesafe-5 yüzey koduna başarıyla aktarılması.

Bu güvenilirliğin bir bedeli var. ScienceAlert’in haberine göre en katı çalıştırmalarda denemelerin yalnızca yaklaşık %8’i tutuldu, geri kalanı atıldı. Durumun daha büyük yüzey koduna taşınması da yeni hatalara yol açtı; araştırmacılar bunu çözülmesi gereken bir sonraki sorun olarak işaret ediyor.

Proje beklenmedik bir engelle de karşılaştı. İlk ölçümler fizikle çelişiyor gibi görünüyordu; ekip sorunun kaynağını, sıcaklık değişimleri gibi küçük laboratuvar dalgalanmalarından etkilenen standart doğruluk ölçüm yöntemindeki hatalı bir varsayıma kadar izledi. Araştırmacılar durumları doğru ölçebilmek için geri tepme tomografisi (kickback tomography) adlı yeni bir teknik geliştirdi. Makalede, bulguların yetiştirmeyi “teorik bir çalışmadan deneysel bir gerçekliğe” taşıdığını yazıyorlar.

Hataya dayanıklı kuantum bilgisayarlar için neden önemli?

Sihirli durumların büyük kuantum makinelerinin donanım bütçesine hâkim olması beklendiğinden, bunları daha düşük maliyetle üreten her yöntem pratik görevler için gereken bilgisayarların boyutunu küçültebilir. Google, sonucu kendisini kullanışlı ve hata düzeltmeli bir kuantum bilgisayara bir adım daha yaklaştıran bir gelişme olarak değerlendiriyor.

Şirket sınırlar konusunda temkinli. Araştırmacıları, yetiştirmenin hâlâ daha büyük ölçekte gösterilmesi gerektiğini ve pek çok teknik zorluğun sürdüğünü söylüyor. Willow bugün hataya dayanıklı bir bilgisayar değil ve bu sonuç tek başına bunu değiştirmiyor.

Şifreleme ve “Q-day” için ne anlama geliyor?

Duyuru, yeterince güçlü bir kuantum bilgisayarın bir gün işlemleri güvence altına alan dijital imzaları kırabileceği kripto para dünyasının da hızla dikkatini çekti. The Block, Coinbase’in aynı hafta kuantum sonrası bir Bitcoin geçişi için teknik önceliklerini yayımladığını ve Google’ın 2029’a kadar kuantum sonrası kriptografiye geçme yönünde bir iç hedef belirlediğini kaydetti.

The Block’un görüşlerine yer verdiği uzmanlar sakin olunması çağrısında bulundu. Project Eleven CEO’su Alex Pruden, tekniğin şifrelemeyi kırmak için gereken kaynaklara ilişkin önceki tahminlere zaten dahil edildiğini, bu nedenle zaman çizelgelerini değiştirmekten çok bu tahminleri daha inandırıcı kıldığını söyledi. Castle Island Ventures’ın kurucu ortağı Nic Carter ise kuantum zaman çizelgelerinin genel olarak kısaldığını ancak yakın bir tehdit bulunmadığını belirtti.

Bundan sonra ne olacak?

Google’ın sonraki adımları, yetiştirmeyi ölçeklendirmek ve yetiştirilmiş durumlar daha büyük hata düzeltme kodlarına aktarılırken ortaya çıkan hataları azaltmak. Yetiştirmenin, Google ve rakiplerinin inşa etmek için yarıştığı hataya dayanıklı makinelerin standart bir yapı taşı haline gelip gelmeyeceğini tek bir rekor doğruluk değeri değil, bu kilometre taşları belirleyecek.