MIT araştırmacıları, düşük hatalı kuantum hesaplamaları gerçekleştirebilen ve aynı zamanda işlemciler arasında kuantum bilgilerini hızlı bir şekilde paylaşabilen bir kuantum hesaplama mimarisi geliştirdiler. Çalışma, tam bir kuantum hesaplama platformuna doğru önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor.
Bu keşiften önce, küçük ölçekli kuantum işlemciler; klasik bilgisayarlardan daha hızlı bir şekilde görevleri başarıyla yerine getirmişlerdir. Bununla birlikte, bir işlemcinin uzak kısımları arasındaki kuantum bilgisini kontrol edilebilir şekilde iletmek zordur. Klasik bilgisayarlarda, bir hesaplama sırasında bilgileri bir işlemci boyunca ileri geri yönlendirmek için kablolu ara bağlantılar kullanılır. Ayrıca; bir kuantum bilgisayarında, bilginin kendisi kuantum mekanik ve kırılgandır, aynı anda bir çip üzerindeki kuantum bilgisini işlemek ve iletmek için temel olarak yeni stratejiler gerektirir.
MIT Lincoln Laboratuvarı Üyesi ve Elektrik Mühendisliği ve Doçenti Elektronik Araştırma Laboratuvarı Direktörü William Oliver: “Kuantum bilgisayarları ölçeklendirmedeki temel zorluklardan biri, kuantum bitlerinin birlikte bulunmadıklarında birbirleriyle etkileşime girmesini sağlamaktır. Örneğin, en yakın komşu kubitler kolayca etkileşime girebilir, ancak kubitleri uzak konumlara bağlayan ‘kuantum bağlantılarını’ nasıl yapabilirim?..”
Cevap geleneksel ışık-madde etkileşimlerinin ötesine geçmekte yatar.
Doğal atomlar küçük ve etkileşimde bulundukları ışık dalga boyuna göre nokta benzeri olsa da, Nature dergisinde bugün yayınlanan bir makalede, araştırmacılar bunun “yapay atomlar” için süper iletken olması gerekmediğini gösteriyor. Bunun yerine, ayarlanabilir bir konfigürasyonda bir mikrodalga iletim hattına veya dalga kılavuzuna bağlanan süper iletken kuantum bitlerinden veya kubitlerden “Dev Atomlar” oluşturdular.
Bu, araştırmacıların kubit dalga kılavuzu etkileşimlerinin gücünü ayarlayabilmelerini sağlar, böylece kırılgan kubitler; yüksek doğruluklu işlemler gerçekleştirirken dalga kılavuzu tarafından aksi takdirde hızlandırılacak bir tür doğal bozulmadan korunabilir. Bu hesaplamalar yapıldıktan sonra, kubit-dalga kılavuzu bağlantılarının gücü yeniden ayarlanır ve kubitler; kuantum verilerini dalga kılavuzu içine fotonlar veya hafif parçacıklar halinde serbest bırakabilir.
MIT Araştırmacı Bharath Kannan: “Bir kubitin bir dalga kılavuzuna bağlanması, kubit operasyonları için genellikle oldukça kötüdür, çünkü bunu yapmak kubitin ömrünü önemli ölçüde azaltabilir. Ancak, kuantum bilgisini işlemci boyunca serbest bırakmak ve yönlendirmek için dalga kılavuzu gereklidir. Burada, bir dalga kılavuzuna güçlü bir şekilde bağlı olmasına rağmen kubitin tutarlılığını korumanın mümkün olduğunu gösterdik. Daha sonra kubitte saklanan bilgiyi ne zaman serbest bırakmak istediğimizi belirleme yeteneğine sahip olduk. Dev atomların dalga kılavuzu ile etkileşimi açmak ve kapatmak için nasıl kullanılabileceğini gösterdik.
Araştırmacılar, bu sistemin yeni bir ışık-madde etkileşimi rejimini temsil ettiğini söylüyor. Atomları, etkileştikleri ışığın dalga boyundan daha küçük nokta benzeri nesneler olarak değerlendiren modellerin aksine; süper iletken kubitler veya yapay atomlar, esasen büyük elektrik devreleridir. Dalga kılavuzu ile birleştiğinde, etkileşime girdikleri mikrodalga ışığının dalga boyu kadar büyük bir yapı oluştururlar.
Dev Atom; dalga kılavuzu boyunca birçok yerde mikrodalga fotonları olarak bilgi yayar, böylece fotonlar birbirini etkiler. Bu süreç yıkıcı paraziti tamamlamak üzere ayarlanabilir, yani kubit içindeki bilgiler korunur. Dahası, Dev Atom’dan gerçekte hiç foton salınmamış olsa bile, dalga kılavuzu boyunca birden fazla kubit işlemi gerçekleştirmek için hala birbirleriyle etkileşime girebilir. Kubitler dalga kılavuzuna güçlü bir şekilde bağlı kalırlar. Kuantum paraziti nedeniyle, ondan etkilenmeden kalabilirler ve tek-ve iki-kubit operasyonları yüksek gerçekleştirilir.
ETH Zürih’te Katı Hal Fiziği Profesörü Andreas Wallraff: “ Araştırma; elektronlar veya atomlar gibi mikroskobik nesneler için zor ve hatta imkansız olan kuantum fiziğini makroskopik olarak tasarlanmış süper iletken kuantum devreleri ile çalışabildiğini araştırıyor. Bu devrelerle, hem dev atomları çürümeye karşı koruyabilir hem de aynı anda ikisini tutarlı bir şekilde birleştirmeye izin verebilirler. Bu, dalga kılavuzu kuantum elektrodinamiğini araştıran çok güzel bir çalışma. “
Dev atomlara dahil edilen kubitlerin tutarlılık süresi, yani kuantum halde kaldıkları süre yaklaşık 30 mikrosaniyeydi, 10 ila 100 mikrosaniye arasında bir aralığa sahip olan bir dalga kılavuzuna bağlı olmayan kubitler için neredeyse aynıydı.
Ayrıca, araştırma yüzde 94 aslına uygun olarak iki-kubit dolaşma işlemlerini göstermektedir. Bu, araştırmacıların, bir dalga kılavuzuna güçlü bir şekilde bağlanan kubitler için iki kubit bir doğruluk sunduğunu ilk kez temsil eder. Çünkü geleneksel küçük atomlar kullanan bu tür işlemlerin doğruluğu; genellikle böyle bir mimaride düşüktür. Daha fazla kalibrasyon, operasyon ayarlama prosedürleri ve optimize edilmiş donanım tasarımı ile Kannan, doğruluğun daha da geliştirilebileceğini söylüyor.
