Google, Kuantum Bilgisayarlarda Sihirli Hâl Olarak Bilinen Durumun Hatasını 40 Kat Azalttı
Google Quantum AI, Willow işlemcisinde evrensel kuantum hesaplamanın anahtarı olan sihirli hâllerin hatasını yaklaşık 40 kat azalttı ve %99,99 doğruluğa ulaştı (magic state cultivation, quantum error correction).
Kuantum bilgisayarlar hata yapmaya çok yatkındır; bu yüzden hesaplamayı korumak için hata düzeltme kodlarına ihtiyaç duyulur. Ancak bu kodlar her işlemi kolayca yapamaz: bazı kapılar için önceden hazırlanmış, çok temiz özel hâllere gerek vardır. Google Quantum AI ekibi, bu hâlleri üretmenin ucuz bir yolunu ilk kez gerçek bir süperiletken işlemcide denedi ve hatayı yaklaşık 40 kat azalttı. Çalışma Science dergisinde yayımlandı.
Sihirli hâl (magic state) nedir?
Hata düzeltmeli bir kuantum bilgisayarda “Clifford” denen kapı ailesi nispeten kolay uygulanır, ama tek başına yetmez; bu kapılarla yapılan hesaplamayı sıradan bir bilgisayar da verimli biçimde taklit edebilir. Evrensel hesaplama için T kapısı gibi daha zor bir işleme gerek vardır. Bu kapıyı korumalı kübitlerde doğrudan uygulamak yerine, önceden hazırlanmış özel bir kuantum hâli “tüketilir”; bu hâle sihirli hâl (magic state) denir. Adı büyüden gelmez: bu hâl, hesaplamaya Clifford kapılarının tek başına veremediği gücü kazandırdığı için “sihirli” sayılır. Her sihirli hâl yalnızca bir kez kullanılabildiği için bilgisayarın sürekli bir akışa ihtiyacı vardır.
Sorun, bu hâlleri hatasız üretmenin zor olması. Geleneksel yöntem olan arıtma (distillation), çok sayıda kusurlu hâli birleştirip daha az sayıda ama daha temiz hâl elde eder. İşe yarar, fakat çok sayıda kübit ve uzun süre ister.
Yetiştirme: tek bir hâli büyütmek
Craig Gidney ve ortaklarının 2024’te önerdiği “yetiştirme” (cultivation) yaklaşımı farklı düşünür: gürültülü bir sihirli hâli, korumalı bir kübit grubunun içinde adım adım temizler. Deneyde ekip, hâli küçük bir kübit ızgarasına kodladı. Yardımcı kübitler veriyi bozmadan hata kontrolü yaptı; kontrolü geçemeyen denemeler atıldı ve yeniden başlandı, bütün kontrolleri geçenler saklandı. Google’ın Willow işlemcisinin 105 kübitinden en fazla 54’ü kullanıldı.
Elde edilen hâllerda hata yaklaşık 40 kat azaldı ve doğruluk (fidelity) en az yaklaşık %99,99 düzeyine ulaştı. Üstelik temizlenen hâl, yüzey kodu (surface code) ile uyumlu daha büyük bir koda aktarıldı; yazarlar bunu, sihirli hâlin avantajlı bir koda “kaçışının” ilkesel kanıtı olarak tanımlıyor.
Ölçmenin kendisi bir sorundu
Bu kadar küçük hataları ölçmek kolay değildi. Laboratuvardaki sıcaklık değişimleri gibi dalgalanmalar başlangıçta yanıltıcı sonuçlar verdi. Ekip, aylar süren incelemenin ardından “geri tepme tomografisi” (kickback tomography) adlı yeni bir yöntem geliştirdi; bu yöntem, kalan hataları geleneksel tomografiye göre çok daha az ölçümle saptıyor.
Fizik köşesi: %8 ne demek?
Denemelerin yalnızca yaklaşık %8’i bütün kontrolleri geçti. Bir hâl elde etmek için ortalama kaç deneme gerektiğini şöyle kestirebiliriz:
$$N \approx \frac{1}{0{,}08} \approx 12{,}5$$
Yani her temiz hâl için ortalama on iki ila on üç deneme harcanıyor; bu da atılan denemelerin maliyetinin hesaba katılması gerektiğini gösteriyor. Üstelik büyük algoritmalar çok daha temiz hâl ister: yazarlara göre RSA-2048 gibi bir anahtarı kırmak için hata oranı yaklaşık \(10^{-10}\) olan hâller gerekir. Burada ulaşılan yaklaşık \(10^{-4}\) düzeyi bundan kabaca bir milyon kat daha kötü.
Neden önemli, neyi göstermiyor?
Önemi şurada: yetiştirme, bugüne dek yalnızca kuramda ve bilgisayar benzetimlerinde incelenmişti; şimdi gerçek süperiletken donanımda çalıştığı görüldü. Yöntem, arıtmaya göre daha az kaynakla evrensel kuantum mantığına giden bir yol açabilir. Ancak çalışma, yetiştirmenin arıtmadan daha iyi hâller ürettiğini değil, daha az kaynakla karşılaştırılabilir kalite sağlayabileceğini düşündürüyor.
Henüz bilinmeyenler de çok: deney küçük bir ızgarada yapıldı, büyük işlemcilere ölçeklenmesi gösterilmedi. Hâlin daha büyük koda aktarılması ek hatalar getirdi ve bunların azaltılması bir sonraki hedef. Ayrıca denemelerin yüzde 90’dan fazlasının atılması ciddi bir maliyet. Kuantum bilgisayarlarda ölçek ve kalite çıtasının aynı anda yükseldiğini görmek için Fizik Akademisi’nde ele aldığımız 100 kübitlik işlemcide kuantumdan klasiğe faz geçişi çalışmasına da bakabilirsiniz.
Kaynak: E. Rosenfeld ve ark., “Magic state cultivation on a superconducting quantum processor”, Science, DOI: 10.1126/science.aee7961 (ön baskı: arXiv:2512.13908); Google duyurusu; Phys.org. Kapak görseli: Google (Sycamore işlemcisi), CC BY 3.0, Wikimedia Commons.
