Amazon, devrimsel kuantum çipi Ocelot'u tanıttı: İşte tüm detaylar

Schrödinger'in kedisi

Geleneksel bilgisayarların çözemediği karmaşık bilimsel ve ticari problemleri ele alabilecek hata toleranslı kuantum bilgisayarlar geliştirme hedefiyle tasarlanan Ocelot, "kedi kübiti" (cat qubit) olarak adlandırılan özel bir yaklaşımı kullanıyor. Kuantum dünyasına ilgili olanların “kedi” denildiğinde akıllarına ne geldiğini anlamak için kahin olmak gerekmiyor. Ama buraya yakın olmayanlara kısa bir bağlam sunalım:

Schrödinger'in kedisi deneyi, kuantum mekaniğinin garipliklerini göstermek için Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger tarafından 1935'te ortaya atılmıştı. Deneyde, bir kutuya kapatılmış bir kedi, radyoaktif bir atom, bir Geiger sayacı (radyasyonu ölçen cihaz), bir zehirli gaz tüpü ve bir tetik mekanizması bulunur. Eğer atom rastgele bir zamanda bozunursa, Geiger sayacı bunu algılar ve mekanizma zehri serbest bırakarak kediyi öldürür. Ancak kuantum mekaniğine göre, atom bozunmuş veya bozunmamış iki durumda aynı anda bulunabilir (süperpozisyon ilkesi), dolayısıyla kedi de aynı anda hem ölü hem diri kabul edilir. Ancak biri kutuyu açıp baktığında, sistem tek bir duruma çöker: Kedi ya ölür ya da yaşar. Bu düşünce deneyi, kuantum dünyasında gözlemcinin rolü ve süperpozisyonun günlük hayatta nasıl bir paradoks yaratacağını vurgulamak için tasarlanmıştı.

Kedi kübiti

Ayrıca Bkz.Microsoft, Majorana 1 kuantum çipini tanıttı: Hiçbir şey aynısı gibi olmayacak

Schrödinger'in ünlü düşünce deneyine atıfta bulunan Amazon’un kedi kübitleri, belirli hata türlerini içsel olarak bastırarak kuantum hata düzeltme için gereken kaynakları azaltıyor. Amazon bunun için iki farklı türde kübit donanımını birleştiriyor.

Kedi kübitleri veriyi saklarken, diğer tür ise hata düzeltme kodları uygulayarak meydana gelen hataları tespit etmeye yarıyor. Amazon kedi kübitlerinin bit değişimi hatasına karşı dayanıklı olduğunu çünkü birden fazla kuantum nesnesinin aynı anda süperpozisyon durumunda bulunmasını sağladıklarını söylüyor. Ancak bu olduğunda faz değişimi hataları artıyor. Tam da bu noktada diğer kübitler devreye giriyor ve hataların tespit edilip düzeltilmesini sağlıyor. Bu şekilde, daha az sayıda kübit kullanarak, faz değişimi hatalarının tespiti ve düzeltilmesi mümkün oluyor.

AWS, mikroelektronik endüstrisinden alınan üretim süreçlerini kullanarak Ocelot'un bileşenlerini ilk kez ticari ölçekte üretilebilir bir mikroçipe entegre etmeyi başardığını söylüyor.

Eğer tarihe bakacak olursanız bilgi işlem alanındaki devrimsel ilerlemelerin donanım bileşenlerinin temellerinin yeniden atıldığında gerçekleştiğini görebilirsiniz. Bilgisayar devrimi, transistörün vakum tüpünün yerini almasıyla gerçek anlamda başlamış ve oda büyüklüğündeki bilgisayarların küçültülerek günümüzün kompakt ve çok daha güçlü, güvenilir ve düşük maliyetli dizüstü bilgisayarlarına dönüştürülmesini sağlamıştır.

Ocelot'un bugünkü duyurusu pratik, hataya dayanıklı kuantum bilgisayarlar inşa etmek ve bunları ölçeklendirmek için gerekli araçları geliştirmek adına atılmış bir adım. Öyle ki, AWS Kuantum Donanım Direktörü Oskar Painter, “Kuantum araştırmalarındaki son gelişmelerle birlikte, gerçek dünyadaki uygulamalar için pratik, hataya dayanıklı kuantum bilgisayarların ne zaman mevcut olacağı artık bir sorun olmaktan çıkmıştır” diyor.

Yani, hata toleranslı kuantum bilgisayarlar artık bir “eğer” sorunu değil, “ne zaman” sorunu haline gelmiş durumda.

En büyük engel hata düzeltme

Bunu önlemek için kuantum bilgisayarlar, kuantum hata düzeltme adı verilen bir teknik kullanır. Bu yöntem, kuantum bilgilerini birden fazla kübit üzerine kodlayarak (mantıksal kübit olarak düşünün) çevresel etkilerden korur ve hata oluştuğunda düzeltilmesini sağlar. Ancak bu süreç, çok büyük kaynak gereksinimleri nedeniyle oldukça maliyetli zira çok sayıda kübiti bir araya getirmek gerekiyor. Ocelot’un yenilikçi tasarımı ise bu maliyetleri dramatik biçimde azaltarak kuantum bilgisayarların pratik kullanımını daha erişilebilir hale getirmeyi amaçlıyor.

Hata düzeltmede yeni bir yaklaşım

AWS’nin geliştirdiği Ocelot, kuantum hata düzeltme sorunlarına farklı bir perspektif getiriyor. Mevcut çözümler genellikle var olan mimarilere sonradan hata düzeltme eklemeye çalışırken, Ocelot en başından itibaren hata düzeltme öncelikli olarak tasarlandı.

Painter, bu konuda şunları söylüyor; “Diğerlerinin kuantum hata düzeltmeye nasıl yaklaştığına baktık ve farklı bir yol izlemeye karar verdik. Mevcut bir mimariyi alıp daha sonra hata düzeltmeyi dahil etmeye çalışmadık. Kübitimizi ve mimarimizi kuantum hata düzeltmeyi en önemli gereksinim olarak seçtik. Pratik kuantum bilgisayarlar yapacaksak, kuantum hata düzeltmenin öncelikli olması gerektiğine inanıyoruz.”

Painter’a göre, Ocelot’un tam teşekküllü bir kuantum bilgisayara ölçeklenmesi halinde, standart kuantum hata düzeltme yöntemlerine kıyasla onda bir oranında kaynak gerekecek.

Bunu bir üretim hattındaki kalite kontrol sürecine benzetebiliriz. Normalde tüm kusurları yakalamak için 10 denetim istasyonu gerekirken Ocelot sayesinde tek bir noktada tüm hatalar yakalanabiliyor. Sonuç değişmiyor ama süreç çok daha verimli hale geliyor. Bu yaklaşım, kuantum bilgisayarların daha kompakt, güvenilir ve düşük maliyetli olmasını sağlayarak, teknolojinin gerçek dünyadaki uygulamalara daha hızlı ulaşmasını sağlayacak.

Ocelot'un sunduğu bu verimlilikle, ilaç keşfi ve geliştirme süreçlerinin hızlanması, yeni malzemelerin üretilmesi, finansal piyasalarda daha doğru risk ve yatırım tahminleri yapılması gibi birçok alanda devrim niteliğinde gelişmeler yaşanabilir.

Bugünkü duyuru büyük bir adım olsa da, Ocelot halen bir prototip. AWS, kuantum araştırmalarına yatırım yapmaya ve bu teknolojiyi geliştirmeye devam edeceğini belirtiyor.

Ocelot’un öne çıkan özellikleri

Çip, iki entegre silikon mikroçipten oluşuyor. Her biri yaklaşık 1 cm² büyüklüğünde olan bu çipler, elektriksel olarak bağlı bir yığın halinde üst üste yerleştirilmiş durumda.

Mikroçiplerin yüzeyinde, kuantum devre elemanlarını oluşturan ince süper iletken malzeme katmanları bulunuyor. Ocelot ise toplamda 14 temel bileşenden oluşuyor.

Çipteki 5 veri kübiti (kedi kübitleri), kuantum hesaplamalarında kullanılan temel bilgi birimlerini saklıyor. Veri kübitlerindeki hatalar ise 4 ek kübit ile algılanıyor. Kübitlerin kararlılığını sağlamak için ise 5 tampon devre bulunuyor çipte.

Kedi kübitleri, hesaplamalar için kuantum durumlarını saklarken "osilatör" adı verilen bileşenlerden güç alıyor. Ocelot’un osilatörleri, süper iletken bir malzeme olan Tantal’dan üretilmiş durumda. Spesifik detay verilmezken AWS bilim insanlarının osilatör performansını artırmak için Tantal'ı silikon çip üzerinde işlemenin özel bir yolunu geliştirdi.

Kuantum bilgisayarlar nasıl çalışır?

Bu soruyu içeriğin en sonuna koymak doğru mu emin değilim ancak, geleneksel bilgisayarlar, bilgiyi 1 ve 0 olarak temsil edilen bitler ile işliyor. Ancak kuantum bilgisayarlar bunu yapmak için ‘kuantum bitleri’ olan kübitleri kullanıyor.

Bu kübitler genellikle elektronlar veya fotonlar gibi temel parçacıklardan oluşuyor. Bilim insanları, elektromanyetik darbeler kullanarak kübitlerin 'kuantum durumlarını' hassas bir şekilde yönetebiliyor. Kuantum bilgisayarların en dikkat çekici özelliği, kübitlerin aynı anda hem 1 hem de 0 olabilmesi, yani süperpozisyon durumunda bulunabilmesidir. Bu özellik, çok sayıda kübit kullanıldığında bazı karmaşık problemleri klasik bilgisayarlardan üstel derecede daha hızlı çözebilmelerini sağlıyor. Burada çözülmesi yüzlerce, binlerce hatta milyonlarca yıl alacak hesaplamaların yapılmasından bahsediyoruz.