IBM’in kuantum işlemcisi, klasik simülatörleri zorlayan görevi 16 dakikada tamamladı

IBM ve Chicago Üniversitesi araştırmacıları, kuantum hesaplama alanında dikkat çeken yeni bir deney gerçekleştirdi. Ekip, mevcut klasik simülasyon yöntemleriyle makul sürede yeniden üretilmesinin oldukça zor olduğu tahmin edilen bir kuantum örnekleme görevini tamamladı.

Burada önemli bir ayrım var. Deney, ilaç keşfi, şifre çözme veya lojistik optimizasyonu gibi doğrudan gerçek dünya problemini çözmedi. Amaç, kuantum donanımının klasik bilgisayarların pratik sınırlarının ötesine geçebildiği özel olarak tasarlanmış bir hesaplama görevini güvenilir biçimde çalıştırmaktı.

Sonuçlar henüz hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir ön baskı makalede yayımlandı.

Deneyde 97 fiziksel kübit kullanıldı

Araştırmacılar, 70 kübit genişliğinde ve 70 katman derinliğinde bir Clifford devresi hazırladı. Devrenin klasik bilgisayarlarda simüle edilmesini zorlaştırmak için sisteme 468 adet Clifford dışı T kapısı eklendi.

Hesaplama toplam 97 fiziksel kübit üzerinde yürütüldü. Bunların 70’i ana kuantum devresinde kullanılırken 27 yardımcı kübit, hata belirtilerini takip etmek için görev yaptı.

Tam fiziksel devrede 2.869 kontrollü-Z kapısı bulunuyordu. Bunların 2.415’i asıl hesaplamada, 454’ü ise yardımcı kübitlerle hata sendromlarını çıkarmak için kullanıldı.

Sistem hata kontrollerinden geçen 2.051 örneği 16,1 dakikada üretti. Makalede bazı yerlerde geçen “yaklaşık 15 dakika” ifadesi de bu sürenin yuvarlanmış hâli.

Asıl zorluk sonucu doğrulamaktı

Kuantum avantajı deneylerinin en büyük problemlerinden biri doğrulama.

Bir kuantum hesaplama klasik bilgisayarlar için fazla zor hâle geldiğinde, kuantum sisteminin gerçekten doğru çalışıp çalışmadığını klasik yöntemlerle kontrol etmek de zorlaşıyor.

Araştırmacılar bu sorunu, T kapılarıyla zenginleştirilmiş Clifford örneklemesi adı verilen yapılandırılmış bir yöntemle aşmaya çalıştı.

Clifford devreleri klasik bilgisayarlarla görece daha kolay analiz edilebiliyor. T kapıları ise devreye, klasik simülasyonu hızla zorlaştıran ek kuantum karmaşıklığı kazandırıyor.

Ekip önce doğruluğu daha kolay ölçülebilen bir Clifford referans devresi çalıştırdı. Daha sonra hata tespit yapısını bozmayan noktalara T kapıları ekleyerek klasik simülasyonu çok daha zor bir hedef devre oluşturdu.

İki devredeki hata sendromlarının benzer davranması, referans devreden elde edilen güvenilirlik bilgisinin daha zor devreye taşınabilmesini sağladı.

Yüzde 28,4 değeri “doğru cevap oranı” değil

Araştırmacılar, üretilen kuantum durumunun hedef duruma uygunluğu için yüzde 95 güven düzeyinde en az 0,284’lük bir alt sınır hesapladı.

Bu sayı ilk bakışta “sonuçların yalnızca yüzde 28,4’ü doğru” gibi anlaşılabilir. Ancak deney böyle çalışmıyor.

Ortada tek bir doğru cevabı olan klasik bir problem yok. Sistem, belirli bir kuantum olasılık dağılımından örnekler üretiyor. Dolayısıyla 0,284 değeri, elde edilen kuantum durumunun hedeflenen dağılıma ne kadar yakın olduğuna ilişkin istatistiksel bir güven sınırını ifade ediyor.

Bu da deneyin en önemli taraflarından biri. Araştırmacılar yalnızca zor bir kuantum devresini çalıştırmakla kalmadı, sonuçların güvenilirliği için ölçülebilir bir alt sınır da ortaya koydu.

Deney 70 tam hata düzeltmeli mantıksal kübit kullanmadı

Çalışmanın bazı yorumlarında sistemin “70 hata düzeltmeli mantıksal kübit” kullandığı söyleniyor. Bu ifade deneyin gerçek yapısını biraz olduğundan ileri gösterebilir.

Araştırmada 70 kübitlik hesaplama, 27 yardımcı kübitin kullanıldığı uzay-zaman kodlarıyla korunuyordu. Sistem hataları tespit ediyor ve şüpheli çalıştırmaları sonradan eliyordu.

Ancak bu, genel amaçlı ve tamamen hata toleranslı bir kuantum bilgisayar anlamına gelmiyor.

Yani sistem hataları aktif olarak sonsuza kadar düzelten kararlı mantıksal kübitlerle çalışmadı. Daha çok, hata işareti taşıyan sonuçları tespit edip kabul etmeyen bir yöntem kullanıldı.

Araştırmacılar da bu yaklaşımın sınırsız şekilde ölçeklenemeyeceğini kabul ediyor. Kübit sayısı ve işlem derinliği arttıkça elenen çalıştırmaların oranı da yükseliyor.

Hata oranı ciddi biçimde düştü ama hız bedeli ağırdı

Kodlanmış devrede etkin kontrollü-Z hata oranı 1,8×10−4 seviyesine kadar indirildi. Bu değer, fiziksel kapıların hata oranına göre yaklaşık 10 kat daha düşük.

Sistem ayrıca birinci dereceden hataların yaklaşık yüzde 92’sini tespit edebildi.

Ancak bunun ciddi bir maliyeti vardı.

Hata sendromlarına göre yapılan sonradan seçim, durum doğruluğunu kodlanmamış devreye göre yaklaşık 29 kat artırdı, fakat etkin örnekleme hızını yaklaşık 860 kat düşürdü.

Başka bir ifadeyle sistem çok sayıda çalıştırma yaptı, fakat bunların yalnızca küçük bir bölümü hata kontrollerinden geçerek kabul edildi.

Süperiletken kuantum işlemcinin yüksek çalışma hızı sayesinde bu kayıp tolere edilebildi ve 2.051 geçerli örnek yaklaşık 16 dakikada toplanabildi.

Klasik bilgisayarlar gerçekten yapamaz mı?

Araştırmacıların hesaplamalarına göre güncel tensör ağı ve stabilizatör tabanlı klasik simülasyon yöntemleri bu devreyi yeterli doğrulukta çalıştırmakta pratik olarak zorlanıyor.

Özellikle 468 T kapısının yarattığı karmaşıklık, klasik yöntemlerde gereken hesaplama miktarını çok hızlı büyütüyor.

Ama burada da dikkatli olmak gerekiyor.

Çalışma, hiçbir klasik bilgisayarın bu hesabı asla yapamayacağını kanıtlamıyor. Araştırmacılar da daha iyi klasik algoritmalar veya daha güçlü donanımlar geliştirildiğinde bu sonuçların değişebileceğini kabul ediyor.

Kuantum hesaplama tarihinde bunun örnekleri daha önce görüldü. Bazı “kuantum avantajı” deneylerinden sonra klasik simülasyon teknikleri hızla gelişti ve aradaki fark beklenenden daha fazla kapandı.

Bu nedenle en doğru ifade, söz konusu görevin bugün bilinen klasik yöntemlerle pratik simülasyon sınırının ötesinde göründüğü.

Kuantum avantajı açısından neden önemli?

IBM bu çalışmayı kuantum avantajı dönemine doğru önemli bir adım olarak değerlendiriyor.

Deneyin değeri yalnızca 16 dakikalık süre değil. Asıl dikkat çekici nokta, klasik simülasyonu çok zor görünen bir kuantum görevinin güvenilirliğini tamamen kaybetmeden çalıştırılabilmiş olması.

Daha önceki birçok deneyde “kuantum sistem klasik bilgisayardan hızlı mı?” sorusu öne çıkıyordu. Burada ise buna ek olarak “üretilen sonuçların güvenilir olduğunu ne kadar güçlü biçimde söyleyebiliriz?” sorusuna da yanıt verilmeye çalışılıyor.

Bu açıdan deney, kuantum hesaplamanın yalnızca ham hızdan ibaret olmadığını gösteriyor.

Henüz genel amaçlı kuantum bilgisayarlara ulaşılmış değil

Sonuçları abartmamak da önemli.

Bu deney, kuantum bilgisayarların artık bütün alanlarda klasik sistemlerden üstün olduğu anlamına gelmiyor. Avantaj, özel olarak tasarlanmış bir örnekleme göreviyle sınırlı.

Bugün günlük hayatta kullanılan bilgisayarların yaptığı çoğu işi kuantum sisteme taşımak ne gerekli ne de mantıklı. Kuantum bilgisayarların gerçek değeri, yalnızca belirli problem sınıflarında ortaya çıkabilir.

Ayrıca tam hata toleranslı, uzun süre güvenilir biçimde çalışan genel amaçlı kuantum bilgisayarlar hâlâ geliştirme aşamasında.

IBM ve Chicago Üniversitesi’nin çalışması bu hedefe ulaşılmış olduğunu göstermiyor. Ama hata tespiti, karmaşık kuantum devreleri ve istatistiksel doğrulamayı aynı deneyde bir araya getirmesi açısından önemli bir ara basamak oluşturuyor.

Kısacası burada “kuantum bilgisayar klasik bilgisayarı tamamen geçti” gibi geniş bir sonuç yok. Buna karşılık, klasik simülatörlerin pratikte zorlandığı bir görevin güvenilir biçimde kuantum donanımında çalıştırılabildiğine dair güçlü bir gösterim var.